KARBON: SIFAT, STRUKTUR, MEMPEROLEH, KEGUNAAN - KIMIA - 2026

The karbon adalah bukan - unsur kimia logam yang simbol kimia C. dinamakan selepas arang batu, sayur-sayuran atau mineral, di mana atom menentukan pelbagai struktur. Banyak pengarang melayakkannya sebagai Raja unsur, kerana ia membentuk sebilangan besar sebatian organik dan anorganik, dan juga terdapat dalam sejumlah besar alotrop.

Dan jika ini tidak cukup untuk menyebutnya sebagai unsur khas, ia terdapat pada semua makhluk hidup; semua biomolekulnya berhutang dengan kestabilan dan kekuatan ikatan CC dan kecenderungan tinggi mereka untuk bergabung. Karbon adalah unsur kehidupan, dan dengan atomnya badan mereka dibina.

Kayu pokok terdiri terutamanya daripada karbohidrat, salah satu daripada sebilangan besar sebatian yang kaya dengan karbon. Sumber: Pexels.

Sebatian organik dengan mana biomaterial dibina secara praktikal terdiri daripada rangka karbon dan heteroatom. Ini dapat dilihat dengan mata kasar di kayu pokok; dan juga, ketika kilat menyerang mereka dan memanggangnya. Pepejal hitam lengai yang tersisa juga mempunyai karbon; tetapi ia adalah arang.

Oleh itu, terdapat manifestasi "mati" unsur ini: arang, produk pembakaran dalam persekitaran yang kekurangan oksigen; dan arang batu mineral, produk proses geologi. Kedua-dua pepejal itu kelihatan sama, berwarna hitam, dan terbakar untuk menghasilkan haba dan tenaga; walaupun dengan hasil yang berbeza.

Mulai saat ini, karbon adalah unsur ke-15 yang paling banyak terdapat di kerak bumi. Tidak hairanlah apabila berjuta-juta tan arang batu dihasilkan setiap tahun. Mineral ini berbeza dalam sifatnya bergantung pada tahap kekotoran, menjadikan antrasit sebagai arang batu berkualiti tinggi.

Kerak bumi tidak hanya kaya dengan arang batu mineral, tetapi juga karbonat, terutama batu kapur dan dolomit. Dan mengenai Alam Semesta, ia adalah unsur keempat paling banyak; Maksud saya, terdapat lebih banyak karbon di planet lain.

Sejarah karbon

Retrospeksi

Karbon mungkin setua kerak bumi itu sendiri. Sejak zaman dahulu lagi, peradaban kuno telah menemui unsur ini dalam banyak persembahan semula jadi: jelaga, arang, arang, arang, berlian, grafit, tar arang batu, antrasit, dll.

Semua pepejal itu, walaupun mereka mempunyai nada gelap (kecuali berlian), sifat fizikalnya yang lain, dan juga komposisinya, sangat berbeza. Pada masa itu adalah mustahil untuk mendakwa bahawa mereka pada dasarnya terdiri daripada atom karbon.

Oleh itu, sepanjang sejarah, arang batu diklasifikasikan mengikut kualitinya pada saat pembakaran dan penyediaan haba. Dan dengan gas yang terbentuk oleh pembakarannya, jisim air dipanaskan, yang seterusnya menghasilkan wap yang menggerakkan turbin yang menghasilkan arus elektrik.

Karbon dengan cara yang tidak disyaki terdapat dalam arang yang dihasilkan dengan membakar pokok di tempat tertutup atau hermetik; dalam grafit dengan mana pensil dibuat; dalam berlian yang digunakan sebagai permata; dia bertanggungjawab untuk kekerasan besi.

Sejarahnya seiring dengan kayu, mesiu, gas pencahayaan bandar, kereta api dan kapal, bir, pelincir dan objek penting lain untuk kemajuan umat manusia.

Pengiktirafan

Pada tahap mana saintis dapat mengaitkan alotrop dan mineral karbon dengan unsur yang sama? Arang batu dilihat sebagai mineral, dan ia tidak dianggap sebagai unsur kimia yang sesuai dengan jadual berkala. Langkah pertama seharusnya menunjukkan bahawa semua pepejal ini diubah menjadi gas yang sama: karbon dioksida, CO ₂ .

Antoine Lavoisier pada tahun 1772, menggunakan bingkai kayu dengan lensa besar, memusatkan sinar matahari pada sampel arang dan berlian. Dia mendapati bahawa tidak ada yang membentuk wap air melainkan CO ₂ . Dia melakukan perkara yang sama dengan jelaga dan mendapat hasil yang sama.

Carl Wilhelm Scheele pada tahun 1779, mendapati hubungan kimia antara arang dan grafit; iaitu, kedua-dua pepejal itu terdiri daripada atom yang sama.

Smithson Tennant dan William Hyde Wollaston pada tahun 1797 secara metodologi mengesahkan (melalui reaksi) bahawa berlian itu sebenarnya terdiri dari karbon dengan menghasilkan CO ₂ dalam pembakarannya.

Dengan hasil ini, cahaya segera dilemparkan pada grafit dan berlian, pepejal yang terbentuk oleh karbon, dan oleh itu, mempunyai kemurnian tinggi; tidak seperti pepejal yang tidak murni arang batu dan mineral berkarbonat lain.

Hartanah

Sifat fizikal atau kimia yang terdapat dalam pepejal, mineral, atau bahan berkarbon tertakluk kepada banyak pemboleh ubah. Antaranya ialah: komposisi atau tahap kekotoran, hibridisasi atom karbon, kepelbagaian struktur, dan morfologi atau ukuran liang.

Semasa menerangkan sifat karbon, kebanyakan teks atau sumber bibliografi berdasarkan grafit dan berlian.

Kenapa? Kerana mereka adalah alotrop yang paling terkenal untuk elemen ini dan mewakili pepejal atau bahan ketulenan tinggi; iaitu, praktikalnya tidak diperbuat daripada atom karbon (walaupun dengan struktur yang berbeza, seperti yang akan dijelaskan di bahagian seterusnya).

Sifat arang batu dan arang batu berbeza masing-masing dari asal atau komposisi mereka. Contohnya, lignit (karbon rendah) sebagai bahan bakar merangkak berbanding dengan antrasit (karbon tinggi). Dan bagaimana dengan allotrop lain: nanotube, fullerenes, graphenes, graffins, dll.

Walau bagaimanapun, secara kimia mereka mempunyai satu titik persamaan: mereka mengoksidasi dengan lebihan oksigen dalam CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Sekarang, kelajuan atau suhu yang mereka perlukan untuk mengoksidasi adalah khusus untuk setiap alotrop ini.

Grafit vs berlian

Komen ringkas juga akan dibuat di sini mengenai sifat yang sangat berbeza untuk kedua-dua alotrop ini:

Jadual di mana sebilangan sifat dari dua alotrop karbon kristal dibandingkan. Sumber: Gabriel Bolívar.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Hibridisasi

Hubungan antara orbit hibrid dan kemungkinan struktur untuk karbon. Sumber: Gabriel Bolívar.

Konfigurasi elektron untuk atom karbon ialah 1s ² 2s ² 2p ² , juga ditulis sebagai 2s ² 2p ² (gambar atas). Perwakilan ini sesuai dengan keadaan dasar: atom karbon diasingkan dan digantung dalam ruang hampa sehingga tidak dapat berinteraksi dengan orang lain.

Dapat dilihat bahawa salah satu orbital 2pnya kekurangan elektron, yang menerima elektron dari orbital 2s tenaga bawah melalui promosi elektronik; dan dengan itu, atom memperoleh keupayaan untuk membentuk hingga empat ikatan kovalen melalui orbital hibridnya sp ³ .

Perhatikan bahawa keempat-empat orbital sp ³ merosot tenaga (sejajar pada tahap yang sama). Orbital p tulen lebih bertenaga, sebab itulah ia diletakkan di atas orbital hibrid yang lain (di sebelah kanan gambar).

Sekiranya terdapat tiga orbital hibrid, itu kerana satu orbital p tidak hibrida kekal; oleh itu, mereka adalah orbit tiga sp ² . Dan apabila terdapat dua orbital hibrid ini, dua orbital p tersedia untuk membentuk ikatan dua atau tiga, menjadi hibridisasi karbon sp.

Aspek elektronik seperti itu sangat mustahak untuk memahami mengapa karbon dapat dijumpai dalam jumlah kecil dari allotrop.

Nombor pengoksidaan

Sebelum meneruskan struktur, perlu disebutkan bahawa, memandangkan konfigurasi elektron valensi 2s ² 2p ² , karbon boleh mempunyai nombor pengoksidaan berikut: +4, +2, 0, -2 dan -4.

Kenapa? Nombor-nombor ini sesuai dengan anggapan bahawa ikatan ionik wujud sehingga anda membentuk ion dengan cas masing-masing; iaitu, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (neutral), C ^2- dan C ^4- .

Agar karbon mempunyai bilangan pengoksidaan positif, ia mesti kehilangan elektron; Dan untuk melakukannya, ia mesti terikat dengan atom yang sangat elektronegatif (seperti oksigen).

Sementara itu, untuk karbon mempunyai nombor pengoksidaan negatif, ia mesti memperoleh elektron dengan mengikat atom logam atau kurang elektronegatif daripada itu (seperti hidrogen).

Nombor pengoksidaan pertama, +4, bermaksud bahawa karbon telah kehilangan semua elektron valensinya; orbital 2s dan 2p tetap kosong. Sekiranya orbit 2p kehilangan dua elektronnya, karbon akan mempunyai bilangan pengoksidaan +2; jika anda memperoleh dua elektron, anda akan mempunyai -2; dan jika anda memperoleh dua elektron lagi dengan melengkapkan oktet valens anda, -4.

Contoh

Sebagai contoh, untuk CO ₂ bilangan pengoksidaan karbon adalah +4 (kerana oksigen lebih elektronegatif); sementara untuk CH ₄ , itu adalah -4 (kerana hidrogen kurang elektronegatif).

Untuk CH ₃ OH, bilangan pengoksidaan karbon adalah -2 (+1 untuk H dan -2 untuk O); sementara untuk HCOOH, ia adalah +2 (periksa bahawa jumlahnya memberikan 0).

Keadaan pengoksidaan lain, seperti -3 dan +3, juga mungkin berlaku, terutamanya mengenai molekul organik; sebagai contoh, dalam kumpulan metil, -CH ₃ .

Geometri molekul

Gambar atas tidak hanya menunjukkan hibridisasi orbital untuk atom karbon, tetapi juga geometri molekul yang dihasilkan ketika beberapa atom (sfera hitam) dihubungkan ke pusat. Atom pusat ini untuk mempunyai persekitaran geometri tertentu di ruang angkasa, mesti mempunyai hibridisasi kimia masing-masing yang memungkinkan.

Sebagai contoh, untuk tetrahedron karbon pusat mempunyai hibridisasi sp ³ ; kerana itu adalah susunan yang paling stabil untuk orbit orbit empat sp ³ . Dalam kes sp ² karbon , mereka dapat membentuk ikatan berganda dan mempunyai persekitaran satah trigonal; dan segitiga ini menentukan segi enam sempurna. Dan untuk hibridisasi sp, karbon menggunakan geometri linier.

Oleh itu, geometri yang diperhatikan dalam struktur semua allotrop hanya diatur oleh tetrahedra (sp ³ ), heksagon atau pentagon (sp ² ), dan garis (sp).

Tetrahedra menentukan struktur 3D, sementara segi enam, pentagon dan garis, struktur 3D atau 2D; Yang terakhir adalah pesawat atau kepingan yang serupa dengan dinding sarang lebah:

Tembok dengan reka bentuk heksagon sarang lebah secara analogi dengan satah yang terdiri daripada sp2 karbon. Sumber: Pixabay.

Dan jika kita melipat dinding heksagon ini (pentagonal atau bercampur), kita akan memperoleh tiub (nanotube) atau bola (fullerenes), atau angka lain. Interaksi antara angka-angka ini menimbulkan morfologi yang berbeza.

Pepejal amorf atau kristal

Mengetepikan geometri, hibridisasi, atau morfologi struktur karbon yang mungkin, pepejalnya dapat diklasifikasikan secara global kepada dua jenis: amorf atau kristal. Dan antara dua klasifikasi ini, alotrop mereka diedarkan.

Karbon amorf adalah satu yang menyajikan campuran tetrahedra, segi enam atau garis sewenang-wenang, tidak dapat membentuk corak struktur; seperti kes arang batu, arang atau arang aktif, kok, jelaga, dll.

Sementara karbon kristal terdiri daripada corak struktur yang terdiri daripada salah satu geometri yang dicadangkan; contohnya, berlian (rangkaian tiga dimensi tetrahedra) dan grafit (kepingan heksagon bertumpuk).

Mendapatkan

Karbon boleh murni seperti grafit atau berlian. Ini terdapat di simpanan mineralogi masing-masing, tersebar di seluruh dunia dan di negara yang berbeza. Itulah sebabnya mengapa beberapa negara lebih banyak pengeksport salah satu mineral ini daripada yang lain. Ringkasnya, "anda harus menggali bumi" untuk mendapatkan karbon.

Perkara yang sama berlaku untuk arang batu mineral dan jenisnya. Tetapi ini tidak berlaku dengan arang, kerana badan yang kaya dengan karbon mesti "binasa" terlebih dahulu, sama ada di bawah api, atau kilat elektrik; tentu saja, dengan ketiadaan oksigen, jika tidak, CO ₂ akan dibebaskan .

Keseluruhan hutan adalah sumber karbon seperti arang; bukan sahaja untuk pokoknya, tetapi juga untuk fauna.

Secara amnya, sampel yang mengandungi karbon mesti menjalani pirolisis (pembakaran tanpa oksigen) untuk melepaskan beberapa kekotoran sebagai gas; dan dengan itu, pepejal yang kaya dengan karbon (amorf atau kristal) kekal sebagai residu.

Permohonan

Sekali lagi, seperti sifat dan struktur, penggunaan atau aplikasi sesuai dengan alotrop atau bentuk karbon mineralogi. Walau bagaimanapun, ada beberapa kesamaan tertentu yang dapat disebutkan, selain beberapa perkara yang terkenal. Seperti:

-Karbon telah lama digunakan sebagai agen pengurangan mineral dalam mendapatkan logam tulen; contohnya, besi, silikon dan fosforus antara lain.

-Ini adalah asas kehidupan, dan kimia organik dan biokimia adalah kajian refleksi ini.

-Ini juga merupakan bahan bakar fosil yang memungkinkan mesin pertama memulakan gear mereka. Dengan cara yang sama, gas karbon untuk sistem pencahayaan lama diperoleh daripadanya. Arang batu sama dengan cahaya, panas dan tenaga.

-Dicampur sebagai bahan tambahan dengan besi dalam perkadaran yang berbeza membolehkan penemuan dan penambahbaikan keluli.

-Warna hitamnya berlaku dalam seni, terutamanya grafit dan semua tulisan yang dibuat dengan garisnya.

Risiko dan langkah berjaga-jaga

Karbon dan pepejalnya tidak menimbulkan risiko kesihatan. Siapa yang mengambil berat beg arang? Mereka dijual secara berjoging di lorong-lorong beberapa pasar, dan selagi tidak ada api di dekatnya, blok hitam mereka tidak akan terbakar.

Coke, sebaliknya, boleh menimbulkan risiko jika kandungan sulfurnya tinggi. Apabila terbakar, ia akan mengeluarkan gas sulfur yang selain toksik, turut menyebabkan hujan asid. Dan walaupun CO ₂ dalam jumlah kecil tidak dapat mencekik kita, ia memberi kesan besar kepada alam sekitar sebagai gas rumah hijau.

Dari perspektif ini, karbon adalah bahaya "jangka panjang", kerana pembakarannya mengubah iklim planet kita.

Dan dalam erti kata yang lebih fizikal, bahan pepejal atau berkarbonat jika bahan tersebut dihancurkan dengan mudah diangkut oleh arus udara; dan akibatnya, mereka diperkenalkan secara langsung ke paru-paru, yang dapat merosakkannya dengan tidak dapat diperbaiki.

Selebihnya, adalah biasa untuk mengambil "arang" semasa beberapa makanan dimasak.

Rujukan

1. Morrison, RT dan Boyd, R, N. (1987). Kimia organik. Edisi Ke-5. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Bukit Mc Graw.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amines. (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Karbon, Allotropes dan Strukturnya. Dipulihkan dari: Everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Arang. Kimia Dijelaskan. Dipulihkan dari: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 Julai 2018). 10 Fakta Karbon (Nombor Atom 6 atau C). Dipulihkan dari: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Apa itu Karbon? - Fakta & Pelajaran Sejarah untuk Kanak-kanak. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
8. Föll. (sf). Sejarah Karbon. Dipulihkan dari: tf.uni-kiel.de