Михал Карлинский: Не такой черный уголь ...

Большинство, когда говорят об угле, видят топливо, горящее вонючим и горячим пламенем. Часть этого восхищена прекрасным отблеском света, отраженного и разбитого в нем. Другие ценят мягкость, способность рисовать темные мотивы, способность проводить тепло или электричество. Для некоторых это будущее современных технологий. А химически это просто уголь.

Между соединениями на быстрой реке
С химической точки зрения уголь (каменный уголь, бурый уголь, антрацит), энергетика (коксовая печь) представляет собой смесь углеродных соединений, а не чистый элемент. Химия угля - это в основном органическая химия. Конечно, есть и неорганические соединения углерода. Их гораздо меньше, хотя количественно они составляют значительную часть земного вещества.

С одной стороны, известно, что органические соединения содержат углерод и обычно водород, но, например, углекислота не является органическим соединением. Также известно, что метан или его производные хлора являются органическими соединениями, и что это с четыреххлористым углеродом, также известным как тетрахлорметан? Щавелевая кислота представляет собой неорганическое соединение, которое на самом деле представляет собой две карбоновые группы, связанные вместе связью, и они обычно связаны с органическими кислотами. Окись углерода считается органическим соединением из-за наличия связей между атомами углерода, а карбид не рассматривается как органическое соединение. Поэтому мы не будем думать о границе разделения соединений на органические и неорганические, потому что она напоминает географическую границу, протекающую по быстрой реке, когда она имеет переменное русло.

Карбиды из неорганических соединений
Уголь является компонентом горных пород, среди прочего карбонаты кальция и / или магния (например, мел, мрамор, известняк, доломит) и воздушный компонент (главным образом, в виде CO2 - около 0,04% - а в следах СО некоторые также являются летучими органическими соединениями) , но они имеют очень изменчивый профиль, в зависимости от места). Как кремний, сера или фосфор, это элемент, который с удовольствием катонирует, то есть соединяется в гомоядерные цепи и кольца. Он охотно создает отношения с элементами, с которыми он является смежным (но не только!) В периодической таблице элементов (теперь ошибочно: таблица Менделеева ), называемой карбидами.

Карбид кремния SiC - известный как карборунд - является одним из самых твердых материалов, поэтому его используют для производства режущего, режущего и шлифовального инструмента. Карбид бора B4C также является твердым и долговечным, благодаря чему он используется в производстве сложных материалов, таких как пуленепробиваемые жилеты или регулирующие стержни в ядерных реакторах. Карбид кремния и карбид бора являются химически пассивными, чего нельзя сказать о карбидах алюминия или кальция.

Карбид алюминия в лабораториях иногда используется в качестве материала для производства метана высокой чистоты. Карбид кальция - карбид - известен многим мальчикам своими всплывающими свойствами (я не буду инструктировать, как стрелять из банки, потому что я не любитель шума). Раньше он использовался для производства ацетилена (этот реагирует со многими металлами с образованием взрывоопасных ацетиленов!), Но нефтехимическое производство вытеснило этот метод.

Оксиды - ядовитые и желательные соединения
Мы знаем два основных оксида углерода, которые являются компонентами воздуха: монооксид углерода II и монооксид углерода IV. Первый, ранее называемый монооксидом углерода или диоксидом углерода, представляет собой соединение, в котором углерод является двухвалентным. Угарный газ II очень ядовит! Вы можете часто слышать о смертельных отравлениях (укусах) с неисправным очагом или плохой вентиляцией.

Другим оксидом является оксид углерода IV, более известный как диоксид углерода. Очень важно для живых организмов, потому что это сырье для производства строительных материалов и энергии в растительном мире, это также продукт дыхания организмов. Из-за присутствия CO2 во влажном воздухе, известняковые породы перевариваются (из нерастворимых карбонатов в растворимые бикарбонаты), что одновременно стабилизирует уровни CO2 и способствует образованию пещер и живописных сталактитов, сталагмитов и сталагмитов.

Из-за присутствия CO2 во влажном воздухе, известняковые породы перевариваются (из нерастворимых карбонатов в растворимые бикарбонаты), что одновременно стабилизирует уровни CO2 и способствует образованию пещер и живописных сталактитов, сталагмитов и сталагмитов

Сталактиты в пещере Сопленька, фото: pixabay.com, Marliese

Растворенный в воде CO2 дает освежающую газированную воду или ... очень слабую углекислоту. Эта кислота, как известняк, является аккумулятором углекислого газа в природе.
Угарный газ IV также является продуктом сжигания ископаемого топлива и биомассы. С одной стороны, это природный газ, а с другой стороны, за последние 150 лет его концентрация в атмосфере увеличилась. Влияние CO2 на парниковый эффект также является спорным.

Из других неорганических соединений углерода следует упомянуть также сернистый углерод CS2 (отличный растворитель серы), циан (CN) 2 - очень ядовитый газ, который в процессе горения дает самое горячее пламя (около 4775 градусов C), или цианистый водород, используемый фашистской Германией для массовое истребление населения в газовых камерах (прусская кислота).

Лес органических соединений
Для баланса двух наиболее известных оксидов углерода, которые являются неорганическими соединениями, в качестве любопытства приведу несколько примеров органических оксидов углерода (некоторые из которых известны с XIX века, экзотика и множество других, вероятно, станут предметом многих интересных научных договоров).
Диоксид углерода: этилендион C2O2, C3O2, диоксид углерода (диоксид углерода), пентагидрат C5O2, ангидрид C12O9. Также известны монооксиды углерода, такие как C2O, дивинилоксид, C3O, триваль кислород, C4O, тетравоат, C5O, пентооксид или C6O, гексагидрогеноксид. Циклическими оксидами являются, например: (CO) 3 циклопропанотрион, (CO) 6 циклогексангексон, C6 (C2O4) 3 трис (оксалат) гексагидроксибензол или C32O8 тетракис (3,4-диалкинил-3-циклобутен-1,2-дион). И если вы добавите какие-либо оксиды графита и оксиды графена, вы можете потеряться в лесу кислородсодержащих соединений углерода.

Без угля
Что такое углерод как элемент? Этот один из четырех наиболее распространенных элементов во вселенной представляет собой смесь трех изотопов элемента с шестью протонами. Они изотопы углерод 12C, 13C и следовые, но значительные количества 14C). Масса 1/12 изотопа 12C стала основой атомной единицы массы (u), с помощью которой выражены атомные массы всех изотопов всех элементов.

Изотоп 13C из-за его специфических ядерных свойств может быть точно отображен с использованием методов ядерного магнитного резонанса, что позволяет определить структуру соединений углерода. Изотоп 14C радиоактивен. Он создается облучением азота космическим излучением 14N. Этот углерод постоянно поглощается живыми организмами и постоянно радиоактивно распадается. Период полураспада составляет около 3730 лет. Таким образом, после этого времени половина 14C, содержащегося в органических соединениях, распадется. Известно, каково постоянное содержание 14C в живых организмах. Однако, когда тело умирает, поглощение этого изотопа заканчивается - с этого момента наблюдается уменьшение его содержания. Это основа для определения возраста минералов и археологических находок.

Уголь, кроме того, что он находится в форме органических и неорганических соединений, также является свободным. До недавнего времени считалось, что это происходит в двух аллотропных формах *: в форме графита и алмаза. Садза считался аморфным углем, но исследования подтвердили его сложность. В нем были изолированы странные люди, например, напоминающие конструкцию футбольного мяча.

Графит выполнен из графеновых слоев. Этот слой напоминает форму соты, где атом углерода находится в углах каждой шестиугольной ячейки. Расстояние между этими атомами составляет 1,415 Å, а расстояние между слоями составляет 3,35 Å.
Между атомами в слое существуют сильные атомные связи (ковалентные), а между слоями значительно слабее эффекты Ван-дер-Ваальса , т. Е. Возникающие в результате взаимодействия только между индуцированными нагрузками на взаимодействующих поверхностях. Поэтому графит мягкий и хрупкий.

Поверхность между слоями является поверхностью раздела между разрушающимися, абразивными элементами графита. Следовательно, графит вытягивается и поэтому является отличным скользящим материалом, используемым как в смазочных материалах, так и на абразивных поверхностях (например, в пантографах в трамваях и поездах).
В слоях присутствуют делокализованные валентные электроны (образующие химические связи), равные всему слою. Это означает, что когда дополнительные электроны применяются на одном конце, они сразу становятся доступными с другой стороны. Таким образом, графит является хорошим руководством по току. Он не является хорошим проводником тепла и, кроме того, он устойчив к высоким температурам, даже выше 1500 градусов Цельсия, в то время как алмаз при температуре выше 800 градусов Цельсия становится горючим.

Графит является популярным материалом в металлургии и атомной энергетике. Он использовался с 1 декабря 1942 года, когда американцы во главе с Энрико Ферми запустили первый ядерный реактор. Уолтер Боте и Питер Дженсен, которые исследовали уран в Уранпроекте (проект U), не считали графит хорошим замедлителем, что, вероятно, было вызвано недостатком в чистоте графита (именно поэтому Третий Рейх решил использовать тяжелую воду). 8 октября 1957 года в Виндскейле произошел пожар реактора, в ходе которого британский взвод произвел военный взвод. Реактор загорелся из-за выделения энергии Вигнера. Манхэттен Юджин Вигнер, который работал над Манхэттенским проектом, сказал, что облученный нейтронами графит уменьшает его объем. Это включало вырывание атомов углерода из кристаллической решетки графита и размещение их между слоями.
Иногда неконтролируемым образом эта энергия может самопроизвольно освобождаться, заставляя графит немедленно нагреваться примерно до 3750 градусов C, что приводит к воспламенению. Следовательно, эта энергия должна высвобождаться контролируемым образом путем непрерывного или периодического отжига графита.

Способность смягчать и в то же время свойства скольжения графита стала фактором, ответственным за чернобыльскую аварию. Во время попыток поддерживать стабильный, но слишком низкий реактор, необходимый для испытания, было извлечено слишком много контрольных стержней. Это вызвало неконтролируемое увеличение мощности, что заставило оператора нажать кнопку аварийного останова. Это, в свою очередь, привело к остановке ядерной реакции путем погружения регулирующих стержней внутрь реактора. Эти стержни были снабжены графитовыми наконечниками для обеспечения надлежащего скольжения. Так что материал, который вместо захвата нейтронов, во время погружения в реактор лишь замедлял их, что ускоряло реакцию. Это вызвало мощный импульс, который в конечном итоге способствовал взрыву реактора.

Это вызвало мощный импульс, который в конечном итоге способствовал взрыву реактора

например, pixabay.com, Pexels

Алмаз имеет правильную структуру. Каждый атом углерода связан ковалентной связью с четырьмя другими, образуя регулярную сеть на основе тетраэдра. Кристаллическая структура обычно является восьмигранной, но она может быть кубической. Длина всех связей между атомами углерода составляет 1,54 Å. Нет движущегося электронного облака, которое делает алмаз электрическим изолятором. Малая длина связей способствует отличной теплопроводности. Алмаз является одним из лучших проводников тепла.

Кристаллическая структура прекрасно преломляет свет, что сделало бриллианты сенсационным ювелирным материалом - полированный ** стал бриллиантом. Масса алмазов настолько мала, что для вращения этого драгоценного минерала вводится единица массы, т. Е. Карат (1 карат = 0,200 г). Цена на камни зависит от их чистоты или типа цвета, количества пятен, трещин и т. Д. Кроме того, поскольку алмазы являются самым твердым природным минералом, они являются отличным инструментом. До недавнего времени для шлифования алмазов использовалась алмазная пыль, в настоящее время известны более твердые материалы.

Поскольку алмаз и графит являются одним и тем же корнем, то, вероятно, один может быть преобразован в другой. Плотность алмаза (3,15 г / см3) больше плотности графита (2,22 г / см3), что связано с более высокой плотностью атомов углерода в кристалле алмаза. Поскольку в каждой кристаллической структуре атомы не являются неподвижными, эта структура может восприниматься как вибрирующие шарики, связанные с довольно жесткими пружинами. Энергия и амплитуда этих колебаний увеличивается с ростом температуры. При -273,25 градуса C, вероятно, все вещество неподвижно, и достижимые температуры могут быть определены энергией вибрации. На определенном энергетическом уровне должна быть возможность получить высокую подвижность атомов, чтобы дешевый графит можно было превратить в дорогие алмазы.

Интересным фактом является большая прочность графита при 27 градусах Цельсия и 1 атм. Было подсчитано, что часть графита можно превратить в алмаз, но для этого требуется давление в 15 000 атмосфер (!), Чтобы увеличить плотность угля. А при 27 градусах Цельсия атомы недостаточно подвижны, чтобы вызвать реорганизацию структуры. В 1955 году был получен синтетический алмаз, который был получен при температуре 2727 градусов С и давлении 125 000 атм. против катализатора (Cr, Fe или Pt) (в Польше в 1960-х годах кристаллизовался алмаз, изготовленный из черной крупности или кобальта). Чтобы получить высокое давление и высокие температуры, была исследована способность нагревать и сжимать графит с помощью взрывчатых веществ. С успехом.

Садза, как я уже говорил, рассматривался как гетерогенный аморфный материал. Оказалось, что это в основном мелкокристаллический графит, но также люди, известные как фуллерены , Первоначально Гарольд Крото наблюдал призрак странного существа в вымерших звездах, а команда Ричарда Смолли и Роберта Керла изучала продукты, полученные из лазерного излучения графитового диска. После присоединения Крото к команде (Керла и Смолли) и дальнейшего анализа, структура напоминала футбольный мяч. За это команда была удостоена Нобелевской премии. Идея, лежащая в основе конструкции, была направлена ​​командой Geodesy Dome , автором которой был Ричард Бакминстер Фуллер.

В настоящее время известно много фуллеренов с четным числом атомов углерода, начиная с 28. Они могут быть выделены путем экстракции сажи с помощью растворителей, например толуола. Известны способы синтеза различных фуллеренов, другие элементы и даже химические соединения могут быть заключены в такие структуры. Очень высокие давления могут быть получены внутри структуры при относительно низких давлениях вне молекулы.

Фуллерены являются изоляторами, если внутренняя часть не заполняет человека, который влияет на делокализацию электронов, тогда они становятся проводниками (фуллерены эндоэдра содержат творения или модификации внутри). Фуллерены могут быть модифицированы с использованием ароматичности молекул. Благодаря этому они могут участвовать в реакциях - они только вступают в реакции присоединения. Для того чтобы происходили реакции замещения, они должны содержать, например, водород, и поэтому они должны быть функционализированы. Производные фуллеренов могут быть растворимы в воде.

Модификация углеродной сферы снаружи дает так называемый Экзоэдр фуллерены. Молекулы фуллерена могут быть плотно упакованы в кристаллы, чтобы дать fuleryt который немного сложнее алмаза. Прессуя фуллерены в алмазном прессе, мы можем получить ADNR - материал, который в настоящее время является самым твердым и наименее сжимаемым. Модификация свойств означает более широкие возможности использования, например, в технологии или медицине. Растворы фуллеренов и их производных в качестве потенциальных пищевых добавок и лекарств, включая рак и ВИЧ, становятся все более популярными.

Когда поверхность листа бумаги равномерно покрыта графитом (например, поцарапан мягким карандашом), мы получаем слой из множества слоев графита. Используя адгезивные (адгезивные) материалы, такие как адгезив, мы можем отслоить слой за слоем, пока не будет получен прозрачный единственный слой, напоминающий соты. За открытие и исследование этого человека, известного как графен, в 2010 году ученые из Манчестера получили Нобелевскую премию: Константин Сержежевич Новосилов и Андрей Гейм. Этот материал будет использоваться в углеродной электронике. Проводимость, тепло, изолирующие свойства, способность к сверхпроводимости - часто противоположные свойства, связанные с этими видами углерода, зависят от простой модификации фрагментов. Может быть, скоро они будут выдавливать кремний из электроники, так же как его заменяли на немецкий?

www.pixabay, Seagul

Графен, в отличие от графита, очень прочный. Свернутый создает так называемый нанотрубки, которые превосходят даже сталь по прочности на разрыв. Нанотрубки, заключенные в фуллереновые купола, являются нанокапсулами. Фуллерены один в другом, второй в третьем и т. Д. Назывались нанобульбами. Новые аллотропные сорта угля заслуживают тщательного изучения, потому что они еще раз удивят нас. Если вы добавите нанопену, вы можете получить углеродное головокружение.

И, наконец, вопрос: если алмаз и графит необходимо анализировать как трехмерные структуры, графен как двумерные, нанотрубки как одномерные, то не следует ли рассматривать фуллерены 0D (безразмерные) как математическую точку?

* Аллотропия зависит от различной структуры кристаллов или молекул одного и того же элемента. Различия зависят от ориентации атомов в кристаллической решетке, где углы между связями в кристалле, расстояние между атомами могут быть разными. Они могут быть связаны с различным числом атомов в молекулах (например, кислород - это O2, а его аллотропный озон - O3).

** Обычно много исходного материала теряется при шлифовании алмазов. Из Куллинаны, самого известного алмаза, который первоначально весил 3106 карат, было получено девять крупных алмазов общим весом почти 1055,6 карата. Самый крупный из них, Куллинан I, весит 530,2 карата. В общей сложности чуть более 34% Куллинана было превращено в алмазы.
Куллинан был застрахован на 1 250 000 долларов. Бриллиант перед шлифовкой отправился королю Эдуарду VII в подарок на празднование 66-го дня рождения. Он поручил обработку камня компании Asscher's Diamond Co. из Амстердама 10 февраля 1908 года Джозеф Ассер поместил лезвие колун в подготовленный промежуток и ударил его тяжелым жезлом, чтобы разделить алмаз. Лезвие сломалось, алмаз остался нетронутым. Джозеф упал в обморок. Следующий подход сделал его камнем из трех частей. Самые большие куллинцы изначально хранились в лондонском Тауэре, с 1937 года они являются украшением британской эмблемы королевской власти.