Carbonul

 Dintre toate nemetalele, carbonul se impune în viaþa noastrã într-un mod cu totul deosebit. Se poate spune cã trãim într-o lume a carbonului. Acest element uluitor constituie baza unui numãr enorm de compuºi organici, care, la rîndul lor, reprezintã toatã lumea vie. Petrolul, gazul natural sînt amestecuri de compuºi organici ai carbonului. Primele noþiuni despre compuºii organici ai carbonului le vom studia în urmãtorul compartiment. Mai jos sînt caracterizaþi compuºii anorganici ai carbonului, care, de asemenea, prezintã interes teoretic ºi practic. . . . . 4.13. Carbonul 4.13.1. Caracterizarea generalã Din compuºii anorganici fac parte carbonul, oxizii de carbon, acidul carbonic ºi sãrurile lui. Majoritatea compuºilor anorganici sînt rãspîndiþi în naturã ºi joacã un rol important în viaþa cotidianã. Astfel, diamantul ºi grafitul reprezintã carbon pur, iar calcarul, creta ºi marmura – carbonatul de calciu CaCO3. Gazul pe care îl expirãm ºi pe care plantele îl absorb se numeºte dioxid de carbon CO2 sau oxid de carbon (IV). Poziþia în sistemul periodic ºi structura atomului. Elementul chimic carbon C este situat în perioada a doua, subgrupa principalã a grupei a IV-a. Structura atomului este urmãtoarea: Carbon 12 6C +6 ) ) 2e– 4e– Atomul de carbon are 4 electroni de valenþã C ; sarcina nucleului +6. 104 Nemetalele şi compuşii lor Fig. 4.30. Însemnele regale britanice, în care sînt încrustate fragmente din diamantul Cullinan. În compuºi, carbonul are, de obicei, valenþa 4, rareori 2 (de exemplu, în CO). În reacþiile chimice, el manifestã proprietãþile unui nemetal tipic. Carbonul, avînd 4 electroni pe stratul electronic exterior, poate, în egalã mãsurã, ceda sau adiþiona 4 electroni, prezentînd gradul de oxidare +4 (ca reducãtor), respectiv –4 (ca oxidant): reducãtor C 0 – 4e – ® C +4 (C +4 O2); oxidant C 0 + 4e – ® C –4 (C – 4 H4). Fig. 4.31. Structura diamantului ºi utilizarea lui. Fig. 4.32. Structura grafitului ºi utilizarea lui. 4.13.2. Substanþa simplã carbon ºi formele ei alotropice Principala proprietate a atomilor de carbon este capacitatea lor de a se lega între ei, formînd diferite catene, pe baza celor patru electroni de valenþã. În funcþie de modul de legare a atomilor, existã cîteva forme alotropice ale carbonului: diamantul, grafitul, carbinul, fulerena. Diamantul. Fiecare atom de carbon din componenþa diamantului formeazã patru legãturi covalente cu alþi atomi (fig. 4.31). Astfel, se obþine o reþea cristalinã atomicã cu legãturi identice foarte trainice. Diamantul este una dintre cele mai dure substanþe simple. El se utilizeazã, în special, la fabricarea instrumentelor de tãiere, a coloanelor de foraj, a roþilor de ºlefuire etc. Diamantele ºlefuite, care au anumite forme geometrice, sînt numite briliante. Mãrimea diamantului se mãsoarã în carate (1 carat ~0,2 g). Cel mai mare diamant, Cullinan, are 3 024 carate (~620 g). Grafitul este o substanþã solidã, uleioasã la pipãit, gri-neagrã ºi cu luciu metalic. Are o structurã stratiformã. Fiecare atom de carbon din componenþa grafitului este legat prin trei legãturi identice cu trei atomi vecini, formînd reþele plate destul de trainice (fig. 4.32) ºi folosind pentru aceasta cîte trei electroni. Al patrulea electron Fenomenul existenþei mai multor substanþe simple formate de unul ºi acelaºi element chimic se numeºte alotropie. Diamante Creion cu diamant Freze de ºlefuit ºi de tãiat Lubrifiant Creioane Bucºe Electrozi 105 Nemetalele şi compuşii lor rãmîne liber ºi formeazã un cuplu instabil cu un electron al altui atom de carbon, din reþeaua superioarã sau inferioarã. Acest cuplu se scindeazã uºor, de aceea grafitul conduce bine curentul electric ºi este folosit la confecþionarea electrozilor (de exemplu, pentru baterii). Datoritã unei asemenea structuri, straturile de grafit se deplaseazã uºor, iar la aplicarea unei forþe se desprind „solzi“ de grafit, fapt pentru care el este folosit în tehnicã, la ungerea suprafeþelor ce se rod în urma fricþiunii, precum ºi la fabricarea creioanelor. Grafitul este cea mai greu fuzibilã substanþã simplã. Temperatura sa de topire depãºeºte 3 500o C. El este folosit pentru placarea duzelor (tuburilor) la rachete. Carbonul amorf (necristalin) reprezintã un praf negru-cenuºiu. El este folosit ca ingredient la producerea cauciucului negru. Carbonul amorf se obþine la arderea incompletã a gazului natural: CH4 + O2 = C + 2H2O În naturã, carbonul amorf se gãseºte în cantitãþi enorme, sub formã de zãcãminte de cãrbune. Din acestea se obþin diferite produse (fig. 4.34). Alte douã forme alotropice, carbinul ºi fulerena, sînt descrise la rubrica „Orizonturile chimiei“. Rãspîndirea în naturã. Precum s-a menflionat, în naturã, carbonul se gãseºte în stare liberã sub formã de diamant, grafit ºi carbon amorf. Dintre compuºii anorganici ai carbonului, cei mai rãspîndiþi sînt carbonaþii: CaCO3 – cretã, marmurã, calcar, spat de Islanda; MgCO3 . CaCO3 – dolomitã; MgCO3 – magnezitã. Grafit. Fig. 4.34. Utilizarea cãrbunelui. Cocs Combustibil în furnal Gaz de cocs Benzen Toluen Rãºinã de cãrbune Sulf Apã amoniacalã Fig. 4.33. Structura fulerenei. Carbinul ºi fulerena sînt douã forme alotropice ale carbonului, obþinute pe cale sinteticã. Carbinul este o substanþã albã, alcãtuitã din catene liniare de tipul: = C = C = C = C = sau – C º C – C º C – Fulerenele au fost obþinute la sfîrºitul anilor ’80 ai secolului XX. Ele conþin un numãr mare de atomi de carbon (60-160) ºi au o structurã complicatã, semãnînd cu o minge de fotbal, constituitã din hexagoane ºi pentagoane (fig. 4.33). Orizonturile chimiei 106 Nemetalele şi compuşii lor Obþinerea. Diamantul ºi grafitul se extrag din adîncul pãmîntului. Diamantul se întîlneºte rar (Africa de Sud, Siberia). El este foarte scump (mai scump chiar decît aurul). În prezent, diamantul este obþinut ºi pe cale sinteticã (în principal, pentru scopuri tehnice). La prelucrarea chimicã a cãrbunelui natural, se obþin multe substanþe preþioase pentru industria chimicã. Cocsul, restul solid, rãmas dupã prelucrare, este carbon aproape pur. La temperaturã obiºnuitã, carbonul este inert (pasiv), iar la temperaturi înalte, devine activ. Ca nemetal, el se poate comporta atît ca reducãtor (cedînd electroni), cît ºi ca oxidant (adiþionînd electroni). 1. Interacþiunea cu oxigenul. În exces de oxigen, carbonul arde, degajînd cãldurã: C 0 + O2 0 = 2C +4 O2 –2 + Q (ardere completã) –4e – +4e – reducãtor oxidant Simbolul Q din aceastã ecuaþie are o importanþã deosebitã; datoritã efectului exotermic al reacþiei, se încãlzesc încãperile, se gãteºte mîncarea, se topesc metalele, circulã trenurile etc. În insuficienþã de oxigen, carbonul formeazã oxidul de carbon (II) CO, numit ºi gaz de cahlã, o substanþã foarte nocivã: 2C 0 + O2 0 = 2C +2 O –2 + Q (ardere incompletã) –2e – +4e – reducãtor oxidant Oxidul de carbon (II) se poate forma nu doar la arderea incompletã a carbonului, ci ºi la încãlzirea cu carbon a produsului arderii complete (CO2): C + CO2 = 2CO 2. Interacþiunea cu oxizii metalelor. Carbonul (cãrbune, grafit, cocs) este cel mai ieftin, accesibil ºi important reducãtor pentru obþinerea din minereuri a metalelor (cupru, fier, staniu, zinc). În procesul de obþinere a fontei se foloseºte cocsul; acesta reduce fierul conform ecuaþiei: 3C 0 + Fe2 +3 O3 = 2Fe 0 + 3C +2 O –2e – +6e – reducãtor oxidant Oxidul de carbon (II) este de asemenea un reducãtor eficient: Fe2 +3 O3 + 3C +2 O = 2Fe 0 + 3C +4 O2 +6e – –2e – oxidant reducãtor ® ® ® ® ® 4.13.3. Proprietãþile chimice ale carbonului t o t o • Oxidul de carbon (II) (gazul de cahlã) pãtrunde în sînge ºi leagã fierul din hemoglobinã, blocîndu-i activitatea de transportare a oxigenului în organism. În asemenea situaflii poate surveni moartea. Primul ajutor în caz de intoxicare cu gaz de cahlã este aerul proaspãt, oxigenul, respiraþia artificialã. Oxigenul pãtrunde în sînge, înlãturã moleculele de CO ºi astfel, omul este salvat. • Aerul inspirat conþine: 78% azot, 21% oxigen, 0,03% dioxid de carbon ºi 0,97% alte gaze. Aerul expirat conþine: 78,7% azot, 16,3% oxigen, pînã la 4% dioxid de carbon ºi pînã la 1% alte gaze. Evident, compoziþia indicatã mai sus este relativã. Orizonturile chimiei 107 Nemetalele şi compuşii lor 3. Interacþiunea cu hidrogenul are loc la încãlzire, în prezenþa unui catalizator metalic (nichel): C 0 + 2H 0 2 t o [Ni] C –4 H +1 4 +4e – –2e – metan oxidant reducãtor Metanul este componentul principal al gazului natural. El se foloseºte în calitate de combustibil: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q 4. *Interacþiunea cu metalele. La interacþiunea carbonului cu metalele, se formeazã carburi: 2C 0 + Ca 0 = t o Ca +2 C –1 2 3C 0 + 4Al 0 = t o Al4 +3 C –4 3 +1e – –2e – carburã +4e – –3e – carburã oxidant reducãtor de calciu oxidant reducãtor de aluminiu Carburile au deseori o compoziþie care nu corespunde cu valenþa elementelor. De exemplu, Fe3C (partea componentã a fontei), CaC2 º.a. Unele carburi se descompun în reacþia cu apa, formînd compuºi hidrogenaþi ai carbonului. De exemplu: Al4C3 + 12HOH = 3CH4 + 4Al(OH)3 CaC2 + 2HOH = C2H2 + Ca(OH)2 metan acetilenã Reacþia de obþinere a acetilenei este folositã la sudarea ºi tãierea metalelor datoritã temperaturii înalte de ardere a acesteia. Utilizarea carbonului. Carbonul pur, numit ºi cocs, este folosit la obþinerea metalelor din minereuri, a carburilor, alcoolului metilic º.a. ® ® ® Bine-cunoscutele pastile de cãrbune activat sînt folosite în caz de intoxicaþie alimentarã. Ce este