KOOLSTOF: EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, VERKRIJGEN, GEBRUIKEN - CHEMIE - 2024

De koolstof is een niet - metallisch chemisch element waarvan het chemische symbool C. genoemd is naar steenkool, plantaardig of mineraal, waarvan de atomen verschillende structuren definiëren. Veel auteurs kwalificeren het als de koning van de elementen, omdat het een breed scala aan organische en anorganische verbindingen vormt en ook voorkomt in een aanzienlijk aantal allotropen.

En als dit niet genoeg is om ernaar te verwijzen als een speciaal element, wordt het in alle levende wezens aangetroffen; al zijn biomoleculen danken hun bestaan ​​aan de stabiliteit en sterkte van de CC-bindingen en hun sterke neiging tot aaneenschakeling. Koolstof is het element van het leven, en met zijn atomen zijn hun lichamen gebouwd.

Het hout van bomen bestaat voornamelijk uit koolhydraten, een van de vele verbindingen die rijk zijn aan koolstof. Bron: Pexels.

De organische verbindingen waarmee biomaterialen worden gebouwd, bestaan ​​praktisch uit koolstofskeletten en heteroatomen. Deze zijn met het blote oog te zien in het bos van de bomen; en ook, wanneer de bliksem hen treft en ze roostert. De resterende inerte zwarte vaste stof heeft ook koolstof; maar het is houtskool.

Er zijn dus "dode" manifestaties van dit element: houtskool, een verbrandingsproduct in zuurstofarme omgevingen; en minerale steenkool, een product van geologische processen. Beide vaste stoffen lijken op elkaar, ze zijn zwart en ze branden om warmte en energie op te wekken; hoewel met verschillende opbrengsten.

Vanaf dit punt is koolstof het 15e meest voorkomende element in de aardkorst. Geen wonder dat er jaarlijks miljoenen tonnen steenkool worden geproduceerd. Deze mineralen verschillen in hun eigenschappen afhankelijk van de mate van onzuiverheden, waardoor antraciet de hoogste kwaliteit minerale steenkool is.

De aardkorst is niet alleen rijk aan minerale steenkool, maar ook aan carbonaten, vooral kalksteen en dolomiet. En wat het heelal betreft, het is het vierde meest voorkomende element; Ik bedoel, er is daarbuiten meer koolstof op andere planeten.

Carbon geschiedenis

Terugblik

Koolstof kan zo oud zijn als de aardkorst zelf. Sinds onheuglijke tijden zijn oude beschavingen dit element tegengekomen in zijn vele natuurlijke presentaties: roet, houtskool, houtskool, houtskool, diamanten, grafiet, koolteer, antraciet, enz.

Al die vaste stoffen, hoewel ze de donkere tinten deelden (met uitzondering van diamant), verschilden de rest van hun fysieke eigenschappen, evenals hun samenstelling, opmerkelijk. Destijds was het onmogelijk om te beweren dat ze in wezen uit koolstofatomen bestonden.

Zo werd steenkool door de geschiedenis heen geclassificeerd op basis van de kwaliteit op het moment van verbranding en het leveren van warmte. En met de gassen die door de verbranding werden gevormd, werden watermassa's verwarmd, die op hun beurt dampen produceerden die turbines bewogen die elektrische stromen opwekten.

Koolstof was op een onverwachte manier aanwezig in houtskool die werd geproduceerd door bomen te verbranden in gesloten of hermetische ruimtes; in het grafiet waarmee de potloden zijn gemaakt; in diamanten die als edelstenen worden gebruikt; hij was verantwoordelijk voor de hardheid van het staal.

Haar geschiedenis gaat hand in hand met hout, buskruit, gassen voor stadsverlichting, treinen en schepen, bier, smeermiddelen en andere essentiële voorwerpen voor de vooruitgang van de mensheid.

Herkenning

Op welk punt waren wetenschappers in staat om de allotropen en mineralen van koolstof met hetzelfde element te associëren? Steenkool werd gezien als een mineraal, en het werd niet beschouwd als een chemisch element dat het periodiek systeem waardig was. De eerste stap had moeten zijn om aan te tonen dat al deze vaste stoffen werden omgezet in hetzelfde gas: kooldioxide, CO ₂ .

Antoine Lavoisier in 1772, met behulp van een houten frame met grote lenzen, richtte de zonnestralen op houtskoolmonsters en een diamant. Hij ontdekte dat geen van beide waterdampen vormde, maar CO ₂ . Hij deed hetzelfde met het roet en behaalde dezelfde resultaten.

Carl Wilhelm Scheele vond in 1779 de chemische relatie tussen houtskool en grafiet; dat wil zeggen, beide vaste stoffen waren samengesteld uit dezelfde atomen.

Smithson Tennant en William Hyde Wollaston hebben in 1797 methodologisch geverifieerd (door middel van reacties) dat de diamant feitelijk uit koolstof bestond bij het produceren van CO ₂ bij zijn verbranding.

Met deze resultaten werd al snel licht geworpen op grafiet en diamant, vaste stoffen gevormd door koolstof en daarom van hoge zuiverheid; in tegenstelling tot de onzuivere vaste stoffen van steenkool en andere koolstofhoudende mineralen.

Eigendommen

De fysische of chemische eigenschappen die in vaste stoffen, mineralen of koolstofhoudende materialen worden aangetroffen, zijn onderhevig aan vele variabelen. Onder hen zijn: de samenstelling of mate van onzuiverheden, de hybridisaties van de koolstofatomen, de diversiteit van de structuren en de morfologie of grootte van de poriën.

Bij het beschrijven van de eigenschappen van koolstof zijn de meeste teksten of bibliografische bronnen gebaseerd op grafiet en diamant.

Waarom? Omdat ze de bekendste allotropen voor dit element zijn en vaste stoffen of zeer zuivere materialen vertegenwoordigen; dat wil zeggen, ze zijn praktisch gemaakt van niets meer dan koolstofatomen (hoewel met verschillende structuren, zoals zal worden uitgelegd in de volgende sectie).

De eigenschappen van houtskool en minerale steenkool verschillen respectievelijk in hun oorsprong of samenstelling. Bruinkool (koolstofarm) kruipt bijvoorbeeld als brandstof in vergelijking met antraciet (koolstofarm). En hoe zit het met de andere allotropen: nanobuisjes, fullerenen, grafenen, graffins, etc.

Chemisch hebben ze echter één punt gemeen: ze oxideren met een teveel aan zuurstof in CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Nu is de snelheid of temperatuur die ze nodig hebben om te oxideren specifiek voor elk van deze allotropen.

Grafiet versus diamant

Hier zal ook een korte opmerking worden gemaakt over de zeer verschillende eigenschappen van deze twee allotropen:

Tabel waarin enkele eigenschappen van de twee kristallijne allotropen van koolstof worden vergeleken. Bron: Gabriel Bolívar.

Structuur en elektronische configuratie

Hybridisaties

Verband tussen hybride orbitalen en mogelijke structuren voor koolstof. Bron: Gabriel Bolívar.

De elektronenconfiguratie voor het koolstofatoom is 1s ² 2s ² 2p ² , ook geschreven als 2s ² 2p ² (bovenste afbeelding). Deze representatie komt overeen met zijn grondtoestand: het koolstofatoom geïsoleerd en gesuspendeerd in een zodanig vacuüm dat het geen interactie kan aangaan met anderen.

Men kan zien dat een van zijn 2p-orbitalen elektronen mist, die een elektron uit de 2s-orbitaal met lagere energie opnemen via elektronische promotie; en dus verwerft het atoom het vermogen om tot vier covalente bindingen te vormen via zijn vier sp ³ hybride orbitalen .

Merk op dat alle vier de sp ^3- orbitalen energie-gedegenereerd zijn (uitgelijnd op hetzelfde niveau). Pure p-orbitalen zijn energieker, daarom worden ze boven de andere hybride orbitalen geplaatst (aan de rechterkant van de afbeelding).

Als er drie hybride orbitalen zijn, komt dat doordat er één niet-gehybridiseerde p-orbitaal overblijft; daarom zijn het drie sp ^2- orbitalen . En als er twee van deze hybride orbitalen zijn, zijn er twee p-orbitalen beschikbaar om dubbele of drievoudige bindingen te vormen, zijnde de hybridisatie van de sp-koolstof.

Dergelijke elektronische aspecten zijn essentieel om te begrijpen waarom koolstof in oneindig veel allotropen kan worden gevonden.

Oxidatienummers

Alvorens verder te gaan met de structuren, is het de moeite waard te vermelden dat, gegeven de elektronenconfiguratie van valentie 2s ² 2p ² , koolstof de volgende oxidatienummers kan hebben: +4, +2, 0, -2 en -4.

Waarom? Deze cijfers komen overeen met de aanname dat er een ionische binding is, zodat u de ionen vormt met de respectievelijke ladingen; dat is, C ^{4 +} , C ²⁺ , C ⁰ (neutraal), C ² en C ⁴ .

Om koolstof een positief oxidatiegetal te geven, moet het elektronen verliezen; En om dit te doen, moet het noodzakelijkerwijs worden gebonden aan zeer elektronegatieve atomen (zoals zuurstof).

Ondertussen moet koolstof, wil het een negatief oxidatiegetal hebben, elektronen winnen door zich te binden aan metaalatomen of minder elektronegatief dan het (zoals waterstof).

Het eerste oxidatiegetal, +4, betekent dat de koolstof al zijn valentie-elektronen heeft verloren; de 2s en 2p orbitalen blijven leeg. Als de 2p-orbitaal zijn twee elektronen verliest, heeft de koolstof een oxidatiegetal van +2; als je twee elektronen krijgt, heb je -2; en als je nog twee elektronen krijgt door je valentie-octet te voltooien, -4.

Voorbeelden

Voor CO _{2 is} het oxidatiegetal van koolstof bijvoorbeeld +4 (omdat zuurstof elektronegatiever is); terwijl het voor CH ₄ -4 is (omdat waterstof minder elektronegatief is).

Voor CH ₃ OH, het oxidatiegetal van koolstof -2 (1 H en -2 voor O); terwijl het voor HCOOH +2 is (controleer of de som 0 oplevert).

Andere oxidatietoestanden, zoals -3 en +3, zijn ook waarschijnlijk, vooral als het gaat om organische moleculen; bijvoorbeeld methylgroepen, -CH ₃ .

Moleculaire geometrieën

De bovenste afbeelding toonde niet alleen de hybridisatie van de orbitalen voor het koolstofatoom, maar ook de resulterende moleculaire geometrieën wanneer verschillende atomen (zwarte bollen) werden gekoppeld aan een centrale. Om dit centrale atoom een ​​specifieke geometrische omgeving in de ruimte te hebben, moet het de respectievelijke chemische hybridisatie hebben die dit mogelijk maakt.

Bijvoorbeeld, de tetraëder de centrale koolstof sp ³ -hybridisatie ; omdat dat de meest stabiele opstelling is voor de vier sp ³ hybride orbitalen . In het geval van sp ^2- koolstofatomen kunnen ze dubbele bindingen vormen en een trigonale vlakomgeving hebben; en dus definiëren deze driehoeken een perfecte zeshoek. En voor een sp-hybridisatie nemen de koolstofatomen een lineaire geometrie aan.

De geometrieën die in de structuren van alle allotropen worden waargenomen, worden dus eenvoudig beheerst door tetraëders (sp ³ ), zeshoeken of vijfhoeken (sp ² ) en lijnen (sp).

Tetraëders definiëren een 3D-structuur, terwijl zeshoeken, vijfhoeken en lijnen, 3D- of 2D-structuren; De laatste zijn de vlakken of platen die lijken op de wanden van de honingraten:

Wand met hexagonale ontwerpen van een honingraat in analogie met vlakken die zijn samengesteld uit sp2-koolstofatomen. Bron: Pixabay.

En als we deze zeshoekige wand (vijfhoekig of gemengd) vouwen, krijgen we een buis (nanobuisjes) of een bal (fullerenen), of een ander figuur. De interacties tussen deze figuren leiden tot verschillende morfologieën.

Amorfe of kristallijne vaste stoffen

Afgezien van de geometrieën, hybridisaties of morfologieën van de mogelijke structuren van koolstof, kunnen de vaste stoffen globaal in twee typen worden ingedeeld: amorf of kristallijn. En tussen deze twee classificaties zijn hun allotropen verdeeld.

Amorfe koolstof is gewoon een koolstof die een willekeurig mengsel van tetraëders, zeshoeken of lijnen vertoont, niet in staat om een ​​structureel patroon vast te stellen; dat is het geval bij kolen, houtskool of actieve kool, cokes, roet enz.

Terwijl de kristallijne koolstof bestaat uit structurele patronen die zijn opgebouwd uit een van de voorgestelde geometrieën; bijvoorbeeld diamant (driedimensionaal netwerk van tetraëders) en grafiet (gestapelde zeshoekige platen).

Het verkrijgen van

Koolstof kan puur zijn als grafiet of diamant. Deze zijn te vinden in hun respectievelijke mineralogische afzettingen, verspreid over de hele wereld en in verschillende landen. Daarom zijn sommige landen meer exporteurs van een van deze mineralen dan andere. Kortom, "je moet de aarde graven" om de koolstof te krijgen.

Hetzelfde geldt voor minerale steenkool en zijn soorten. Maar dit is niet het geval met houtskool, aangezien een lichaam dat rijk is aan koolstof eerst moet ‘vergaan’, hetzij onder vuur, hetzij door elektrische blikseminslag; natuurlijk bij afwezigheid van zuurstof, anders zou CO ₂ vrijkomen .

Een heel bos is een koolstofbron zoals houtskool; niet alleen vanwege de bomen, maar ook vanwege de fauna.

In het algemeen moeten monsters die koolstof bevatten een pyrolyse ondergaan (verbranding in afwezigheid van zuurstof) om een ​​deel van de onzuiverheden als gassen vrij te maken; en dus blijft er een vaste stof die rijk is aan koolstof (amorf of kristallijn) als residu achter.

Toepassingen

Nogmaals, net als de eigenschappen en structuur, zijn de toepassingen of toepassingen consistent met de allotropen of mineralogische vormen van koolstof. Naast enkele bekende punten zijn er echter bepaalde algemeenheden die kunnen worden genoemd. Dat zijn:

-Carbon wordt al lange tijd gebruikt als mineraal reductiemiddel bij het verkrijgen van zuivere metalen; bijvoorbeeld ijzer, silicium en fosfor.

-Het is de hoeksteen van het leven, en organische chemie en biochemie zijn de studies van deze reflectie.

-Het is ook een fossiele brandstof geweest waardoor de eerste machines hun versnellingen konden starten. Op dezelfde manier werd er koolstofgas voor de oude verlichtingssystemen uit gewonnen. Steenkool stond synoniem voor licht, warmte en energie.

-Gemengd als een additief met ijzer in verschillende verhoudingen maakte de uitvinding en verbetering van staalsoorten mogelijk.

-De zwarte kleur vond plaats in de kunst, vooral grafiet en alle geschriften die met zijn lijnen zijn gemaakt.

Risico's en voorzorgsmaatregelen

Koolstof en zijn vaste stoffen vormen geen enkel gezondheidsrisico. Wie geeft er om een ​​zak houtskool? Ze worden massaal verkocht in de gangpaden van sommige markten, en zolang er geen vuur in de buurt is, zullen hun zwarte blokken niet branden.

Coke kan daarentegen een risico vormen als het zwavelgehalte hoog is. Bij verbranding komen zwavelhoudende gassen vrij die niet alleen giftig zijn, maar ook bijdragen aan zure regen. En hoewel CO ₂ in kleine hoeveelheden ons niet kan verstikken, heeft het als broeikasgas wel een enorme impact op het milieu.

Vanuit dit perspectief is koolstof een gevaar op de "lange termijn", aangezien de verbranding ervan het klimaat op onze planeet verandert.

En in meer fysieke zin worden vaste of koolstofhoudende materialen, als ze worden verpulverd, gemakkelijk getransporteerd door luchtstromen; en bijgevolg worden ze rechtstreeks in de longen geïntroduceerd, wat ze onherstelbaar kan beschadigen.

Voor de rest is het heel gewoon om "houtskool" te consumeren als er iets gekookt wordt.

Referenties

1. Morrison, RT en Boyd, R, N. (1987). Organische chemie. 5e editie. Redactioneel Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10e editie.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Koolstof, zijn allotropen en structuren. Hersteld van: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Steenkool. Chemie uitgelegd. Hersteld van: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 juli 2018). 10 koolstoffeiten (atoomnummer 6 of C). Hersteld van: thoughtco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Wat is koolstof? - Feiten en geschiedenisles voor kinderen. Studie. Hersteld van: study.com
8. Föll. (sf). Geschiedenis van Carbon. Hersteld van: tf.uni-kiel.de