ფიზიკური თვისებები: ნახშირბადი აყალიბებს მრავალ ალოტროპულ მოდიფიკაციას: ბრილიანტი- ერთ-ერთი უმძიმესი ნივთიერება გრაფიტი, ქვანახშირი, ჭვარტლი.
ნახშირბადის ატომს აქვს 6 ელექტრონი: 1s 2 2s 2 2p 2 . ბოლო ორი ელექტრონი განლაგებულია ცალკეულ p-ორბიტალებში და დაუწყვილებელია. პრინციპში, ამ წყვილს შეუძლია დაიკავოს ერთი და იგივე ორბიტალი, მაგრამ ამ შემთხვევაში ინტერელექტრონის მოგერიება მნიშვნელოვნად იზრდება. ამ მიზეზით, ერთი მათგანი იღებს 2p x, ხოლო მეორე, ან 2p y , ან 2p z ორბიტალი.
გარე შრის s- და p-ქვედონეების ენერგიაში განსხვავება მცირეა, ამიტომ ატომი საკმაოდ ადვილად გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში, რომელშიც 2s ორბიტალიდან ორი ელექტრონიდან ერთი გადადის თავისუფალზე. 2 რუბლი.ვალენტურობის მდგომარეობა ჩნდება კონფიგურაციით 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . ნახშირბადის ატომის ეს მდგომარეობაა დამახასიათებელი ალმასის გისოსებისთვის - ჰიბრიდული ორბიტალების ტეტრაედრული სივრცითი განლაგება, ბმების იდენტური სიგრძე და ენერგია.
ამ ფენომენს ცნობილია ე.წ sp 3 - ჰიბრიდიზაცია,და განვითარებადი ფუნქციები არის sp 3 -ჰიბრიდი . ოთხი sp 3 ბმის ფორმირება ნახშირბადის ატომს სამზე სტაბილურ მდგომარეობას აძლევს r-r-და ერთი s-s-კავშირი. sp 3 ჰიბრიდიზაციის გარდა, sp 2 და sp ჰიბრიდიზაცია ასევე შეინიშნება ნახშირბადის ატომში. . პირველ შემთხვევაში, ურთიერთგადახურვა ხდება s-და ორი p-ორბიტალი. იქმნება სამი ეკვივალენტური sp 2 ჰიბრიდული ორბიტალი, რომლებიც განლაგებულია იმავე სიბრტყეში, ერთმანეთის მიმართ 120° კუთხით. მესამე ორბიტალი p უცვლელია და მიმართულია სიბრტყის პერპენდიკულარულად sp2.
sp ჰიბრიდიზაციის დროს s და p ორბიტალები ერთმანეთს ემთხვევა. 180° კუთხე წარმოიქმნება ორ ეკვივალენტურ ჰიბრიდულ ორბიტალს შორის, რომლებიც წარმოიქმნება, ხოლო თითოეული ატომის ორი p-ორბიტალი უცვლელი რჩება.
ნახშირბადის ალოტროპია. ბრილიანტი და გრაფიტი
გრაფიტის კრისტალში ნახშირბადის ატომები განლაგებულია პარალელურ სიბრტყეში, რომლებიც იკავებენ რეგულარული ექვსკუთხედების წვეროებს. ნახშირბადის თითოეული ატომი დაკავშირებულია სამ მეზობელ sp 2 ჰიბრიდულ ბმასთან. პარალელურ სიბრტყეებს შორის კავშირი ხორციელდება ვან დერ ვაალის ძალების გამო. თითოეული ატომის თავისუფალი p-ორბიტალები მიმართულია კოვალენტური ბმების სიბრტყეზე პერპენდიკულურად. მათი გადახურვა ხსნის დამატებით π კავშირს ნახშირბადის ატომებს შორის. ამრიგად, დან ვალენტური მდგომარეობა, რომელშიც ნახშირბადის ატომები განლაგებულია ნივთიერებაში, განსაზღვრავს ამ ნივთიერების თვისებებს.
ნახშირბადის ქიმიური თვისებები
ყველაზე დამახასიათებელი ჟანგვის მდგომარეობებია: +4, +2.
ზე დაბალი ტემპერატურანახშირბადი ინერტულია, მაგრამ გაცხელებისას მისი აქტივობა იზრდება.
ნახშირბადი, როგორც შემცირების აგენტი:
- ჟანგბადით
C 0 + O 2 – t° = CO 2 ნახშირორჟანგი
ჟანგბადის ნაკლებობით - არასრული წვა:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O ნახშირბადის მონოქსიდი
- ფტორთან ერთად
C + 2F 2 = CF 4
- წყლის ორთქლით
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 წყლის გაზი
- ლითონის ოქსიდებით. ასე დნება ლითონი მადნიდან.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
- მჟავებით - ჟანგვითი აგენტებით:
C 0 + 2H 2 SO 4 (კონს.) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (კონს.) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- გოგირდთან ერთად ქმნის ნახშირბადის დისულფიდს:
C + 2S 2 = CS 2.
ნახშირბადი, როგორც ჟანგვის აგენტი:
- ზოგიერთ მეტალთან ერთად ქმნის კარბიდებს
4Al + 3C 0 = Al 4 C 3
Ca + 2C 0 = CaC 2 -4
- წყალბადით - მეთანით (ისევე როგორც ორგანული ნაერთების დიდი რაოდენობა)
C0 + 2H2 = CH4
- სილიციუმთან ერთად წარმოქმნის კარბორუნდს (ელექტრო ღუმელში 2000 °C-ზე):
ნახშირბადის აღმოჩენა ბუნებაში
თავისუფალი ნახშირბადი გვხვდება ალმასის და გრაფიტის სახით. ნაერთების სახით ნახშირბადი გვხვდება მინერალებში: ცარცი, მარმარილო, კირქვა - CaCO 3, დოლომიტი - MgCO 3 *CaCO 3; ჰიდროკარბონატები - Mg(HCO 3) 2 და Ca(HCO 3) 2, CO 2 არის ჰაერის ნაწილი; ნახშირბადი არის მთავარი შემადგენელი ნაწილიაბუნებრივი ორგანული ნაერთები - გაზი, ნავთობი, ქვანახშირი, ტორფი, არის ნაწილი ორგანული ნივთიერებები, ცილები, ცხიმები, ნახშირწყლები, ამინომჟავები, რომლებიც ცოცხალი ორგანიზმების ნაწილია.
არაორგანული ნახშირბადის ნაერთები
არც C4+ და არც C4- იონები არ წარმოიქმნება რაიმე ჩვეულებრივი ქიმიური პროცესის დროს: ნახშირბადის ნაერთები შეიცავს სხვადასხვა პოლარობის კოვალენტურ ბმებს.
ნახშირბადის მონოქსიდი CO
ნახშირბადის მონოქსიდი; უფერო, უსუნო, წყალში ოდნავ ხსნადი, ორგანულ გამხსნელებში ხსნადი, ტოქსიკური, დუღილის წერტილი = -192°C; t pl. = -205°C.
ქვითარი
1) ინდუსტრიაში (გაზის გენერატორებში):
C + O 2 = CO 2
2) ლაბორატორიაში - ფორმულის ან ოქსილის მჟავას თერმული დაშლა H 2 SO 4-ის თანდასწრებით (კონს.):
HCOOH = H2O + CO
H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
ქიმიური თვისებები
ზე ნორმალური პირობები CO ინერტულია; როდესაც თბება - შემცირების აგენტი; უმარილო ოქსიდი.
1) ჟანგბადით
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) ლითონის ოქსიდებით
C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2
3) ქლორთან ერთად (შუქზე)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (ფოსგენი)
4) რეაგირებს ტუტე დნობასთან (წნევის ქვეშ)
CO + NaOH = HCOONa (ნატრიუმის ფორმატი)
5) გარდამავალი ლითონებით ქმნის კარბონილებს
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
ნახშირბადის მონოქსიდი (IV) CO2
ნახშირორჟანგი, უფერო, უსუნო, წყალში ხსნადობა - 0.9V CO 2 იხსნება 1V H 2 O (at ნორმალური პირობები); ჰაერზე მძიმე; t°pl = -78,5°C (მყარი CO 2 ეწოდება "მშრალ ყინულს"); არ უჭერს მხარს წვას.
ქვითარი
- ნახშირმჟავას მარილების (კარბონატების) თერმული დაშლა. კირქვის სროლა:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- ძლიერი მჟავების მოქმედება კარბონატებზე და ბიკარბონატებზე:
CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
ქიმიურითვისებებიCO2
მჟავა ოქსიდი: რეაგირებს ძირითად ოქსიდებთან და ფუძეებთან ნახშირმჟავას მარილების წარმოქმნით
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
NaOH + CO 2 = NaHCO 3
ამაღლებულ ტემპერატურაზე შეიძლება გამოავლინოს ჟანგვის თვისებები
C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
ხარისხობრივი რეაქცია
კირის წყლის ღრუბლიანობა:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ ( თეთრი ნალექი) + H2O
ის ქრება, როდესაც CO 2 გადის კირწყალში დიდი ხნის განმავლობაში, რადგან უხსნადი კალციუმის კარბონატი იქცევა ხსნად ბიკარბონატად:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2
ნახშირბადის მჟავა და მისიმარილი
H 2CO 3 -სუსტი მჟავა, ის არსებობს მხოლოდ წყალხსნარში:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
დიბაზური:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - მჟავა მარილები - ბიკარბონატები, ბიკარბონატები
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- საშუალო მარილები - კარბონატები
მჟავების ყველა თვისება დამახასიათებელია.
კარბონატები და ბიკარბონატები შეიძლება გარდაიქმნას ერთმანეთში:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2 NaHCO 3
ლითონის კარბონატები (გარდა ტუტე ლითონებისა) დეკარბოქსილატდება გაცხელებისას ოქსიდის წარმოქმნით:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
ხარისხობრივი რეაქცია- "ადუღება" ძლიერი მჟავის გავლენის ქვეშ:
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2
CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2
კარბიდები
კალციუმის კარბიდი:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.
აცეტილენი გამოიყოფა თუთიის, კადმიუმის, ლანთანისა და ცერიუმის კარბიდების წყალთან ურთიერთქმედებისას:
2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La (OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.
იყოს 2 C და Al 4 C 3 იშლება წყლით და წარმოიქმნება მეთანი:
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al (OH) 3 = 3 CH 4.
ტექნოლოგიაში გამოიყენება ტიტანის კარბიდები TiC, ვოლფრამი W 2 C (მყარი შენადნობები), სილიციუმის SiC (კარბორუნდი - როგორც აბრაზიული და გამათბობლების მასალა).
ციანიდი
მიღებული სოდის გაცხელებით ამიაკის და ნახშირბადის მონოქსიდის ატმოსფეროში:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
ჰიდროციანმჟავა HCN მნიშვნელოვანი პროდუქტია ქიმიური მრეწველობა, ფართოდ გამოიყენება ორგანულ სინთეზში. მისი გლობალური წარმოება წელიწადში 200 ათას ტონას აღწევს. ციანიდის ანიონის ელექტრონული სტრუქტურა ნახშირბადის მონოქსიდის მსგავსია (II) ასეთ ნაწილაკებს იზოელექტრონული ეწოდება:
C = O: [:C = N:] –
ციანიდები (0,1-0,2% წყალხსნარი) გამოიყენება ოქროს მოპოვებაში:
2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0.5 O 2 = 2 K + 2 KOH.
ციანიდის ხსნარების გოგირდთან ან დნობის მყარ ნივთიერებებთან დუღილის დროს ისინი წარმოიქმნება თიოციანატები:
KCN + S = KSCN.
დაბალაქტიური ლითონების ციანიდების გაცხელებისას მიიღება ციანიდი: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. ციანიდის ხსნარები იჟანგება ციანატები:
2 KCN + O 2 = 2 KOCN.
ციანის მჟავა არსებობს ორი ფორმით:
H-N=C=O; H-O-C = N:
1828 წელს ფრიდრიხ უოლერმა (1800-1882) მიიღო შარდოვანა ამონიუმის ციანატიდან: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 წყალხსნარის აორთქლების გზით.
ეს მოვლენა ჩვეულებრივ განიხილება, როგორც სინთეზური ქიმიის გამარჯვება "ვიტალისტურ თეორიაზე".
არსებობს ციანიუმის მჟავას იზომერი - ასაფეთქებელი მჟავა
H-O-N=C.
მისი მარილები (ვერცხლისწყლის ფულმინატი Hg(ONC) 2) გამოიყენება ზემოქმედების ანთებით.
სინთეზი შარდოვანა(შარდოვანა):
CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C და 100 ატმ.
შარდოვანა არის ნახშირმჟავას ამიდი, ასევე არსებობს მისი "აზოტის ანალოგი" - გუანიდინი.
კარბონატები
ყველაზე მნიშვნელოვანი არაორგანული ნახშირბადის ნაერთებია ნახშირმჟავას მარილები (კარბონატები). H 2 CO 3 არის სუსტი მჟავა (K 1 = 1.3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). კარბონატის ბუფერული საყრდენი ნახშირორჟანგის ბალანსიატმოსფეროში. მსოფლიო ოკეანეებს აქვთ უზარმაზარი ბუფერული სიმძლავრე, რადგან ისინი ღია სისტემაა. ძირითადი ბუფერული რეაქცია არის წონასწორობა ნახშირმჟავას დისოციაციის დროს:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .
როდესაც მჟავიანობა მცირდება, ატმოსფეროდან ნახშირორჟანგის დამატებითი შეწოვა ხდება მჟავის წარმოქმნით:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
მჟავიანობის მატებასთან ერთად იხსნება კარბონატული ქანები (ჭურვები, ცარცი და კირქვის ნალექები ოკეანეში); ეს ანაზღაურებს ჰიდროკარბონატის იონების დაკარგვას:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (მყარი) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
მყარი კარბონატები გადაიქცევა ხსნად ბიკარბონატებად. ეს არის ჭარბი ნახშირორჟანგის ქიმიური დაშლის პროცესი, რომელიც ეწინააღმდეგება "სათბურის ეფექტს" - გლობალურ დათბობას ნახშირორჟანგის მიერ დედამიწიდან თერმული გამოსხივების შთანთქმის გამო. მსოფლიოში სოდა (ნატრიუმის კარბონატი Na 2 CO 3) წარმოების დაახლოებით მესამედი გამოიყენება მინის წარმოებაში.
CARBON, C (a. carbon; n. Kohlenstoff; f. carbone; i. carbono), - მენდელეევის პერიოდული სისტემის IV ჯგუფის ქიმიური ელემენტი, ატომური ნომერი 6. ატომური მასა 12,041. ბუნებრივი ნახშირბადიშედგება 2 სტაბილური იზოტოპის ნარევისაგან: 12 C (98,892%) და 13 C (1,108%). ასევე არსებობს ნახშირბადის 6 რადიოაქტიური იზოტოპი, რომელთაგან ყველაზე მნიშვნელოვანია 14 C იზოტოპი ნახევარგამოყოფის პერიოდით 5.73.10 3 წელი (ეს იზოტოპი მუდმივად მცირე რაოდენობით იქმნება. ზედა ფენებიატმოსფერო კოსმოსური გამოსხივების ნეიტრონების მიერ 14 N ბირთვების დასხივების შედეგად).
ნახშირბადი ცნობილია უძველესი დროიდან. ხე გამოიყენებოდა მადნებიდან ლითონების მოსაპოვებლად, ბრილიანტი კი, როგორც... ნახშირბადის აღიარება ა ქიმიური ელემენტიასოცირდება ფრანგი ქიმიკოსის ა.ლავუაზიეს (1789) სახელთან.
ნახშირბადის ცვლილებები და თვისებები
ცნობილია ნახშირბადის 4 კრისტალური მოდიფიკაცია: გრაფიტი, ბრილიანტი, კარბინი და ლონსდალეიტი, რომლებიც ძლიერ განსხვავდებიან თავიანთი თვისებებით. კარბინი არის ხელოვნურად წარმოებული ნახშირბადის ნაირსახეობა, რომელიც წარმოადგენს წვრილად კრისტალურ შავ ფხვნილს, რომლის კრისტალური სტრუქტურა ხასიათდება ერთმანეთის პარალელურად განლაგებული ნახშირბადის ატომების გრძელი ჯაჭვების არსებობით. სიმკვრივე 3230-3300 კგ/მ3, თბოტევადობა 11,52 ჯ/მოლ.კ. ლონსდალეიტი გვხვდება მეტეორიტებში და მიიღება ხელოვნურად; მისი სტრუქტურა და ფიზიკური თვისებები ბოლომდე არ არის დადგენილი. ნახშირბადს ასევე ახასიათებს მოუწესრიგებელი აგებულების მდგომარეობა - ე.წ. ამორფული ნახშირბადი (ჭვარტლი, კოქსი, ნახშირი). "ამორფული" ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები დიდწილად დამოკიდებულია ნაწილაკების დისპერსიაზე და მინარევების არსებობაზე.
ნახშირბადის ქიმიური თვისებები
ნაერთებში ნახშირბადს აქვს ჟანგვის მდგომარეობები +4 (ყველაზე გავრცელებული), +2 და +3. ნორმალურ პირობებში ნახშირბადი ქიმიურად ინერტულია; მაღალი ტემპერატურააერთიანებს ბევრ ელემენტს, ავლენს ძლიერ აღდგენითი თვისებებს. ნახშირბადის ქიმიური აქტივობა მცირდება "ამორფული" ნახშირბადის, გრაფიტის, ალმასის სერიაში; ამ ტიპის ნახშირბადში ატმოსფერულ ჟანგბადთან ურთიერთქმედება ხდება შესაბამისად 300-500°C, 600-700°C და 850-1000°C ტემპერატურაზე ნახშირორჟანგის (CO 2) და ნახშირბადის მონოქსიდის (CO) წარმოქმნით. დიოქსიდი იხსნება წყალში და წარმოქმნის ნახშირმჟავას. ნახშირბადის ყველა ფორმა მდგრადია ტუტეებისა და მჟავების მიმართ. ნახშირბადი პრაქტიკულად არ ურთიერთქმედებს ჰალოგენებთან (გარდა გრაფიტისა, რომელიც რეაგირებს F2-თან 900°C-ზე ზემოთ), ამიტომ მისი ჰალოგენები მიიღება ირიბად. აზოტის შემცველ ნაერთებს შორის დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს წყალბადის ციანიდს HCN (ჰიდროციანმჟავა) და მის მრავალრიცხოვან წარმოებულებს. 1000°C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე ნახშირბადი რეაგირებს ბევრ ლითონთან და წარმოქმნის კარბიდებს. ნახშირბადის ყველა ფორმა უხსნადია საერთო არაორგანულ და ორგანულ გამხსნელებში.
ნახშირბადის ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა მისი ატომების უნარი შექმნან ძლიერი ქიმიური ბმები ერთმანეთთან, ისევე როგორც საკუთარ თავსა და სხვა ელემენტებს შორის. ნახშირბადის უნარი სხვა ნახშირბადის ატომებთან 4 ეკვივალენტური ვალენტური ბმის წარმოქმნის საშუალებას იძლევა სხვადასხვა ტიპის ნახშირბადის ჩონჩხის აგება (წრფივი, განშტოებული, ციკლური); სწორედ ეს თვისებები ხსნის ნახშირბადის ექსკლუზიურ როლს ყველა ორგანული ნაერთის და, კერძოდ, ყველა ცოცხალი ორგანიზმის სტრუქტურაში.
ნახშირბადი ბუნებაში
ნახშირბადის საშუალო შემცველობა დედამიწის ქერქი 2.3.10% (წონით); უფრო მეტიც, ნახშირბადის ძირითადი ნაწილი კონცენტრირებულია დანალექ ქანებში (1%), ხოლო სხვა ქანებში ამ ელემენტის მნიშვნელოვნად დაბალი და დაახლოებით თანაბარი (1-3,10%) კონცენტრაციაა. ნახშირბადი გროვდება ზედა ნაწილში, სადაც მისი არსებობა დაკავშირებულია ძირითადად ცოცხალ ნივთიერებასთან (18%), ხესთან (50%), ნახშირთან (80%), ზეთთან (85%), ანტრაციტთან (96%), ასევე დოლომიტებთან და კირქვები. ცნობილია 100-ზე მეტი ნახშირბადის მინერალი, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებულია კალციუმის, მაგნიუმის და რკინის კარბონატები (კალციტი CaCO 3, დოლომიტი (Ca, Mg)CO 3 და სიდერიტი FeCO 3). ნახშირბადის დაგროვება დედამიწის ქერქში ხშირად ასოცირდება სხვა ელემენტების დაგროვებასთან, რომლებიც სორბირებულია ორგანული ნივთიერებებით და გროვდება წყალსაცავების ფსკერზე მისი დამარხვის შემდეგ უხსნადი ნაერთების სახით. Დიდი რაოდენობით CO 2 დიოქსიდი გამოიყოფა ატმოსფეროში დედამიწიდან ვულკანური აქტივობისა და ორგანული საწვავის წვის დროს. ატმოსფეროდან CO 2 შეიწოვება მცენარეების მიერ ფოტოსინთეზის პროცესში და იხსნება ზღვის წყალში, რითაც ქმნის ყველაზე მნიშვნელოვან რგოლს დედამიწაზე ნახშირბადის მთლიან ციკლში. ნახშირბადი ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სივრცეში; მზეზე ნახშირბადი სიმრავლით მე-4 ადგილს იკავებს წყალბადის, ჰელიუმის და ჟანგბადის შემდეგ, რომელიც მონაწილეობს ბირთვულ პროცესებში.
გამოყენება და გამოყენება
ნახშირბადის ყველაზე მნიშვნელოვანი ეროვნული ეკონომიკური მნიშვნელობა განისაზღვრება იმით, რომ ადამიანების მიერ მოხმარებული ენერგიის ყველა ძირითადი წყაროს დაახლოებით 90% მოდის წიაღისეული საწვავიდან. არსებობს ტენდენცია, რომ ნავთობი გამოიყენონ არა როგორც საწვავი, არამედ როგორც ნედლეული სხვადასხვა ქიმიური მრეწველობისთვის. უფრო მცირე, მაგრამ მაინც ძალიან მნიშვნელოვანი როლი ეროვნული ეკონომიკათამაშობს ნახშირბადს, მოპოვებული კარბონატების სახით (მეტალურგია, მშენებლობა, ქიმიური წარმოება), ბრილიანტები ( სამკაულები, ტექნოლოგია) და გრაფიტი (ბირთვული ტექნოლოგია, სითბოს მდგრადი ჭურჭელი, ფანქრები, ზოგიერთი სახის საპოხი მასალები და ა.შ.). ბიოგენური წარმოშობის ნაშთებში 14 C იზოტოპის სპეციფიკური აქტივობის საფუძველზე განისაზღვრება მათი ასაკი (რადიოკარბონული დათარიღების მეთოდი). 14 C ფართოდ გამოიყენება როგორც რადიოაქტიური მიკვლევა. Მნიშვნელოვანიაქვს ყველაზე გავრცელებული იზოტოპი 12 C - ამ იზოტოპის ატომის მასის მეთორმეტი აღებულია, როგორც ქიმიური ელემენტების ატომური მასის ერთეული.
ელემენტების პერიოდულ სისტემაში ნახშირბადი მეორე პერიოდშია IVA ჯგუფში. ნახშირბადის ატომის ელექტრონული კონფიგურაცია ls 2 2s 2 2p 2 .როდესაც ის აღფრთოვანებულია, ადვილად მიიღწევა ელექტრონული მდგომარეობა, რომელშიც არის ოთხი დაუწყვილებელი ელექტრონი ოთხ გარე ატომურ ორბიტალში:
ეს განმარტავს, თუ რატომ არის ნახშირბადი ნაერთებში, როგორც წესი, ოთხვალენტიანი. ნახშირბადის ატომში ვალენტური ელექტრონების რაოდენობის თანასწორობა ვალენტურ ორბიტალებთან, ისევე როგორც ბირთვის მუხტისა და ატომის რადიუსის უნიკალური თანაფარდობა, აძლევს მას თანაბრად ადვილად მიმაგრების და ელექტრონების დათმობის შესაძლებლობას. პარტნიორის თვისებებიდან გამომდინარე (ნაწილი 9.3.1). შედეგად, ნახშირბადს ახასიათებს სხვადასხვა ჟანგვის მდგომარეობები -4-დან +4-მდე და მისი ატომური ორბიტალების ჰიბრიდიზაციის სიმარტივე ტიპის მიხედვით. sp 3, sp 2და sp 1განათლებაში ქიმიური ობლიგაციები(ნაწილი 2.1.3):
ეს ყველაფერი ნახშირბადს აძლევს შესაძლებლობას შექმნას ერთჯერადი, ორმაგი და სამმაგი ბმები არა მხოლოდ ერთმანეთთან, არამედ სხვა ორგანული ელემენტების ატომებთანაც. ამ შემთხვევაში წარმოქმნილ მოლეკულებს შეიძლება ჰქონდეთ წრფივი, განშტოებული ან ციკლური სტრუქტურა.
ნახშირბადის ატომების მონაწილეობით წარმოქმნილი საერთო ელექტრონების - MO-ების მობილურობის გამო, ისინი გადაადგილდებიან უფრო ელექტროუარყოფითი ელემენტის ატომისკენ (ინდუქციური ეფექტი), რაც იწვევს არა მხოლოდ ამ ბმის, არამედ მოლეკულის პოლარობასაც. მთლიანი. თუმცა, ნახშირბადი, ელექტრონეგატიურობის საშუალო მნიშვნელობის გამო (0E0 = 2,5), აყალიბებს სუსტ პოლარულ კავშირებს სხვა ორგანული ელემენტების ატომებთან (ცხრილი 12.1). თუ მოლეკულებში არის კონიუგირებული ბმების სისტემები (ნაწილი 2.1.3), მოძრავი ელექტრონების (MO) და მარტოხელა ელექტრონული წყვილების დელოკალიზაცია ხდება ამ სისტემებში ელექტრონების სიმკვრივისა და ბმის სიგრძის გათანაბრებასთან ერთად.
ნაერთების რეაქტიულობის თვალსაზრისით, ბმების პოლარიზებადობა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს (ნაწილი 2.1.3). რაც უფრო დიდია ბმის პოლარიზება, მით უფრო მაღალია მისი რეაქტიულობა. ნახშირბადის შემცველი ბმების პოლარიზებადობის დამოკიდებულება მათ ბუნებაზე აისახება შემდეგ სერიებში:
ნახშირბადის შემცველი ბმების თვისებების შესახებ ყველა განხილული მონაცემი მიუთითებს იმაზე, რომ ნაერთებში ნახშირბადი ქმნის, ერთი მხრივ, საკმაოდ ძლიერ კოვალენტურ კავშირებს ერთმანეთთან და სხვა ორგანოგენებთან, ხოლო მეორეს მხრივ, ამ ბმების საერთო ელექტრონული წყვილია. საკმაოდ ლაბილური. შედეგად, შეიძლება მოხდეს ამ ობლიგაციების რეაქტიულობის ზრდა და სტაბილიზაცია. ნახშირბადის შემცველი ნაერთების სწორედ ეს თვისებები აქცევს ნახშირბადს ნომერ პირველ ორგანოგენად.
ნახშირბადის ნაერთების მჟავა-ტუტოვანი თვისებები.ნახშირბადის მონოქსიდი (4) არის მჟავე ოქსიდი, ხოლო მისი შესაბამისი ჰიდროქსიდი - ნახშირმჟავა H2CO3 - სუსტი მჟავაა. ნახშირბადის მონოქსიდის (4) მოლეკულა არაპოლარულია და, შესაბამისად, წყალში ცუდად ხსნადი (0,03 მოლ/ლ 298 კ ტემპერატურაზე). ამ შემთხვევაში, ჯერ ხსნარში წარმოიქმნება ჰიდრატი CO2 H2O, რომელშიც CO2 მდებარეობს წყლის მოლეკულების ასოციაციის ღრუში, შემდეგ კი ეს ჰიდრატი ნელა და შექცევად გადაიქცევა H2CO3-ში. უმეტესობაწყალში გახსნილი ნახშირბადის მონოქსიდი (4) არის ჰიდრატის სახით.
ორგანიზმში, სისხლის წითელ უჯრედებში, ფერმენტ კარბოანჰიდრაზას მოქმედებით, წონასწორობა CO2 ჰიდრატ H2O-სა და H2CO3-ს შორის ძალიან სწრაფად მყარდება. ეს საშუალებას გვაძლევს უგულებელვყოთ CO2-ის არსებობა ჰიდრატის სახით ერითროციტში, მაგრამ არა სისხლის პლაზმაში, სადაც არ არის კარბოანჰიდრაზა. შედეგად მიღებული H2CO3 ფიზიოლოგიურ პირობებში იშლება ჰიდროკარბონატულ ანიონთან, ხოლო უფრო ტუტე გარემოში კარბონატულ ანიონთან:
ნახშირბადის მჟავა არსებობს მხოლოდ ხსნარში. იგი ქმნის მარილების ორ სერიას - ჰიდროკარბონატებს (NaHCO3, Ca(HC0 3)2) და კარბონატებს (Na2CO3, CaCO3). ჰიდროკარბონატები წყალში უფრო ხსნადია, ვიდრე კარბონატები. წყალხსნარებში ნახშირმჟავას მარილები, განსაკუთრებით კარბონატები, ადვილად ჰიდროლიზდება ანიონში, რაც ქმნის ტუტე გარემოს:
ნივთიერებები, როგორიცაა საცხობი სოდა NaHC03; ცარცი CaCO3, თეთრი მაგნეზია 4MgC03 *Mg(OH)2*H2O, ჰიდროლიზირებულია ტუტე გარემოს შესაქმნელად, გამოიყენება როგორც ანტაციდები (მჟავას ნეიტრალიზატორები) კუჭის წვენის მომატებული მჟავიანობის შესამცირებლად:
ნახშირმჟავას და ბიკარბონატის იონის (H2CO3, HCO3(-)) კომბინაცია ქმნის ბიკარბონატულ ბუფერულ სისტემას (სექცია 8.5) - სისხლის პლაზმის მშვენიერი ბუფერული სისტემა, რომელიც უზრუნველყოფს სისხლის მუდმივ pH-ს pH = 7.40 ± 0.05.
ხელმისაწვდომობა in ბუნებრივი წყლებიკალციუმის და მაგნიუმის ბიკარბონატები განსაზღვრავს მათ დროებით სიმტკიცეს. როდესაც ასეთი წყალი ადუღდება, მისი სიმტკიცე იხსნება. ეს ხდება HCO3(-) ანიონის ჰიდროლიზის, ნახშირმჟავას თერმული დაშლისა და კალციუმის და მაგნიუმის კათიონების დალექვის გამო უხსნადი ნაერთების CaC03 და Mg(OH)2 სახით:
Mg(OH)2-ის წარმოქმნა გამოწვეულია მაგნიუმის კათიონის სრული ჰიდროლიზით, რაც ამ პირობებში ხდება Mg(0H)2-ის დაბალი ხსნადობის გამო MgC03-თან შედარებით.
სამედიცინო და ბიოლოგიურ პრაქტიკაში, ნახშირმჟავას გარდა, სხვა ნახშირბადის შემცველ მჟავებთანაც არის საქმე. ეს არის უპირველეს ყოვლისა სხვადასხვა ორგანული მჟავების მრავალფეროვნება, ისევე როგორც ჰიდროციანმჟავა HCN. პოზიციიდან მჟავე თვისებებიამ მჟავების სიძლიერე განსხვავდება:
ეს განსხვავებები განპირობებულია მოლეკულაში ატომების ურთიერთგავლენით, დისოციაციის ბმის ბუნებით და ანიონის სტაბილურობით, ანუ მუხტის დელოკალიზაციის უნარით.
ჰიდროციანმჟავა, ან წყალბადის ციანიდი, HCN - უფერო, ძლიერ აქროლადი სითხე (T kip = 26 °C) მწარე ნუშის სუნით, წყალთან შერევა ნებისმიერი თანაფარდობით. წყალხსნარებში ის იქცევა როგორც ძალიან სუსტი მჟავა, რომლის მარილებს ციანიდები ეწოდება. ტუტე და მიწის ტუტე ლითონების ციანიდები წყალში ხსნადია, მაგრამ ისინი ჰიდროლიზდებიან ანიონში, რის გამოც მათ წყალხსნარს ჰიდროციანმჟავას სუნი აქვს (მწარე ნუშის სუნი) და აქვს pH >12:
ჰაერში CO2-ზე ხანგრძლივი ზემოქმედებით, ციანიდი იშლება და გამოიყოფა ჰიდროციანმჟავას:
ამ რეაქციის შედეგად, კალიუმის ციანიდი (კალიუმის ციანიდი) და მისი ხსნარები გრძელვადიანი შენახვაკარგავენ ტოქსიკურობას. ციანიდის ანიონი ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი არაორგანული შხამია, რადგან ის არის აქტიური ლიგანდი და ადვილად აყალიბებს სტაბილურ კომპლექსურ ნაერთებს Fe 3+ და Cu2(+) შემცველი ფერმენტებით, როგორც კომპლექსური იონები (სექტ. 10.4).
რედოქსის თვისებები.ვინაიდან ნაერთებში ნახშირბადს შეუძლია გამოავლინოს ნებისმიერი დაჟანგვის მდგომარეობა -4-დან +4-მდე, რეაქციის დროს თავისუფალ ნახშირბადს შეუძლია შეწიროს და მოიპოვოს ელექტრონები, მოქმედებს როგორც შემამცირებელი ან ჟანგვის აგენტი, შესაბამისად, მეორე რეაგენტის თვისებებიდან გამომდინარე:
როდესაც ძლიერი ჟანგვის აგენტები ურთიერთქმედებენ ორგანულ ნივთიერებებთან, შეიძლება მოხდეს ამ ნაერთების ნახშირბადის ატომების არასრული ან სრული დაჟანგვა.
ანაერობული დაჟანგვის პირობებში ჟანგბადის ნაკლებობით ან არარსებობით, ორგანული ნაერთების ნახშირბადის ატომები დამოკიდებულია ამ ნაერთებში ჟანგბადის ატომების შემცველობაზე და გარე პირობებიშეიძლება გადაიქცეს C0 2, CO, C და თუნდაც CH 4, ხოლო სხვა ორგანოგენები გადაიქცევა H2O, NH3 და H2S.
ორგანიზმში ორგანული ნაერთების სრული დაჟანგვა ჟანგბადით ოქსიდაზას ფერმენტების თანდასწრებით (აერობული დაჟანგვა) აღწერილია განტოლებით:
ჟანგვის რეაქციების მოცემული განტოლებიდან ირკვევა, რომ ქ ორგანული ნაერთებიჟანგვის მდგომარეობას ცვლის მხოლოდ ნახშირბადის ატომები, ხოლო სხვა ორგანოგენების ატომები ინარჩუნებენ ჟანგვის მდგომარეობას.
ჰიდროგენიზაციის რეაქციების დროს, ანუ წყალბადის (შემმცირებელი აგენტის) დამატებით მრავალ კავშირში, ნახშირბადის ატომები, რომლებიც ქმნიან მას, ამცირებენ ჟანგვის მდგომარეობას (მოქმედებენ როგორც ჟანგვის აგენტები):
ორგანული ჩანაცვლების რეაქციები ახალი ნახშირბადთაშორისი ბმის გაჩენით, მაგალითად, ვურცის რეაქციაში, ასევე არის რედოქსული რეაქციები, რომლებშიც ნახშირბადის ატომები მოქმედებენ როგორც ჟანგვის აგენტები, ხოლო ლითონის ატომები მოქმედებენ როგორც შემცირების აგენტები:
მსგავსი რამ შეინიშნება ორგანული მეტალის ნაერთების წარმოქმნის რეაქციებში:
ამავდროულად, ალკილირების რეაქციებში ახალი ნახშირბადთაშორისი ბმის წარმოქმნით, ჟანგვის და რედუქტორის როლს ასრულებენ სუბსტრატისა და რეაგენტის ნახშირბადის ატომები, შესაბამისად:
პოლარული რეაგენტის სუბსტრატში დამატების რეაქციების შედეგად ნახშირბადთაშორისი ბმის მეშვეობით, ნახშირბადის ერთ-ერთი ატომი აქვეითებს ჟანგვის მდგომარეობას, ავლენს ჟანგვის აგენტის თვისებებს, ხოლო მეორე ზრდის ჟანგვის ხარისხს, მოქმედებს როგორც შემცირების აგენტი:
ამ შემთხვევებში ხდება სუბსტრატის ნახშირბადის ატომების ინტრამოლეკულური დაჟანგვა-აღდგენითი რეაქცია, ანუ პროცესი. დაშლა,რეაგენტის გავლენის ქვეშ, რომელიც არ ავლენს რედოქს თვისებებს.
ორგანული ნაერთების ინტრამოლეკულური დისმუტაციის ტიპიური რეაქციები მათი ნახშირბადის ატომების გამო არის ამინომჟავების ან კეტო მჟავების დეკარბოქსილირების რეაქციები, აგრეთვე ორგანული ნაერთების გადაწყობის და იზომერიზაციის რეაქციები, რომლებიც განხილულ იქნა განყოფილებაში. 9.3. ორგანული რეაქციების, აგრეთვე რეაქციების მოყვანილი მაგალითები სექტ. 9.3 დამაჯერებლად მიუთითებს, რომ ორგანულ ნაერთებში ნახშირბადის ატომები შეიძლება იყოს როგორც ჟანგვის აგენტები, ასევე შემცირების აგენტები.
ნახშირბადის ატომი ნაერთში- ჟანგვის აგენტი, თუ რეაქციის შედეგად იზრდება მისი ობლიგაციების რაოდენობა ნაკლებად ელექტროუარყოფითი ელემენტების ატომებთან (წყალბადი, ლითონები), რადგან ამ ობლიგაციების საერთო ელექტრონების თავისკენ მიზიდვით, ნახშირბადის ატომი ამცირებს მის დაჟანგვას. სახელმწიფო.
ნახშირბადის ატომი ნაერთში- შემცირების აგენტი, თუ რეაქციის შედეგად იზრდება მისი ბმების რაოდენობა უფრო ელექტროუარყოფითი ელემენტების ატომებთან.(C, O, N, S), რადგან ამ ობლიგაციების საერთო ელექტრონების განდევნით, ნახშირბადის ატომი ზრდის მის ჟანგვის მდგომარეობას.
ამრიგად, ორგანულ ქიმიაში მრავალი რეაქცია, ნახშირბადის ატომების რედოქსის ორმაგობის გამო, რედოქსია. თუმცა მსგავსი რეაქციებისგან განსხვავებით არაორგანული ქიმია, ორგანულ ნაერთებში ელექტრონების გადანაწილებას ჟანგვის აგენტსა და აღმდგენი აგენტს შორის შეიძლება მხოლოდ ახლდეს ქიმიური ბმის საერთო ელექტრონული წყვილის გადაადგილება ატომში, რომელიც მოქმედებს როგორც ჟანგვის აგენტი. ამ შემთხვევაში, ეს კავშირი შეიძლება შენარჩუნდეს, მაგრამ ძლიერი პოლარიზაციის შემთხვევაში შეიძლება დაირღვეს.
ნახშირბადის ნაერთების კომპლექსური თვისებები.ნაერთებში ნახშირბადის ატომს არ აქვს მარტოხელა ელექტრონული წყვილი და, შესაბამისად, მხოლოდ ნახშირბადის ნაერთებს, რომლებიც შეიცავს მრავალ კავშირს მისი მონაწილეობით, შეუძლიათ ლიგანდების როლი. კომპლექსური წარმოქმნის პროცესებში განსაკუთრებით აქტიურია ნახშირბადის მონოქსიდის (2) პოლარული სამმაგი ბმის ელექტრონები და ჰიდროციანმჟავას ანიონი.
ნახშირბადის მონოქსიდის მოლეკულაში (2), ნახშირბადის და ჟანგბადის ატომები ქმნიან ერთ და ერთ ბმას მათი ორი 2p-ატომური ორბიტალის ურთიერთგადახურვის გამო გაცვლის მექანიზმის მიხედვით. მესამე ბმა, ანუ მეორე ბმა, ფორმირდება დონორ-აქცეპტორი მექანიზმის მიხედვით. მიმღები არის ნახშირბადის ატომის თავისუფალი 2p ატომური ორბიტალი, ხოლო დონორი არის ჟანგბადის ატომი, რომელიც უზრუნველყოფს ელექტრონების მარტოხელა წყვილს 2p ორბიტალიდან:
ბმის გაზრდილი თანაფარდობა უზრუნველყოფს ამ მოლეკულას მაღალ სტაბილურობასა და ინერტულობას ნორმალურ პირობებში მჟავა-ტუტოვანი (CO არის მარილის არწარმომქმნელი ოქსიდი) და რედოქსის თვისებები (CO არის შემცირების აგენტი T > 1000 K). ამავდროულად, ის აქცევს მას აქტიურ ლიგანდ კომპლექსურ რეაქციებში d-მეტალების ატომებთან და კატიონებთან, უპირველეს ყოვლისა რკინით, რომლითაც იგი ქმნის რკინის პენტაკარბონილს, აქროლად ტოქსიკურ სითხეს:
d-მეტალის კათიონებთან რთული ნაერთების წარმოქმნის უნარი არის ცოცხალი სისტემებისთვის ნახშირბადის მონოქსიდის (H) ტოქსიკურობის მიზეზი (განყოფილება. 10.4) შექცევადი რეაქციების წარმოქმნის გამო ჰემოგლობინთან და ოქსიჰემოგლობინთან, რომელიც შეიცავს Fe 2+ კატიონს, კარბოქსიჰემოგლობინის წარმოქმნით:
ეს წონასწორობა გადადის კარბოქსიჰემოგლობინის ННbСО წარმოქმნისკენ, რომლის სტაბილურობა 210-ჯერ აღემატება ოქსიჰემოგლობინის ННbО2-ს. ეს იწვევს სისხლში კარბოქსიჰემოგლობინის დაგროვებას და, შესაბამისად, ჟანგბადის გადატანის უნარის დაქვეითებას.
ჰიდროციანმჟავას ანიონი CN- ასევე შეიცავს ადვილად პოლარიზებად ელექტრონებს, რის გამოც ის ეფექტურად აყალიბებს კომპლექსებს d- ლითონებთან, მათ შორის სიცოცხლის ლითონებთან, რომლებიც ფერმენტების ნაწილია. ამიტომ, ციანიდები ძალიან ტოქსიკური ნაერთებია (ნაწილი 10.4).
ნახშირბადის ციკლი ბუნებაში.ნახშირბადის ციკლი ბუნებაში ძირითადად ეფუძნება ნახშირბადის დაჟანგვისა და შემცირების რეაქციებს (ნახ. 12.3).
მცენარეები ითვისებენ (1) ნახშირბადის მონოქსიდს (4) ატმოსფეროდან და ჰიდროსფეროდან. მცენარეული მასის ნაწილს მოიხმარენ (2) ადამიანები და ცხოველები. ცხოველების სუნთქვა და მათი ნარჩენების დაშლა (3), ასევე მცენარეების სუნთქვა, მკვდარი მცენარეების გახრწნა და ხის წვა (4) აბრუნებს CO2-ს ატმოსფეროში და ჰიდროსფეროში. მცენარეების (5) და ცხოველების (6) ნაშთების მინერალიზაციის პროცესი ტორფის, წიაღისეული ნახშირის, ნავთობის, გაზის წარმოქმნით იწვევს ნახშირბადის ბუნებრივ რესურსებში გადასვლას. მჟავა-ტუტოვანი რეაქციები (7) მოქმედებს იმავე მიმართულებით, მიმდინარეობს CO2-სა და სხვადასხვა ქანებს შორის კარბონატების (საშუალო, მჟავე და ძირითადი) წარმოქმნით:
ციკლის ეს არაორგანული ნაწილი იწვევს CO2-ის დაკარგვას ატმოსფეროში და ჰიდროსფეროში. ადამიანის საქმიანობა ნახშირის, ნავთობის, გაზის (8), შეშის (4) წვასა და გადამუშავებაში, პირიქით, უხვად ამდიდრებს გარემოს ნახშირბადის მონოქსიდით (4). Დიდი ხანის განმვლობაშიიყო დარწმუნებული, რომ ფოტოსინთეზის წყალობით, CO2-ის კონცენტრაცია ატმოსფეროში მუდმივი რჩებოდა. თუმცა, ამჟამად ატმოსფეროში CO2-ის შემცველობის ზრდა ადამიანის აქტივობის გამო არ ანაზღაურდება მისი ბუნებრივი შემცირებით. სულ ქვითარი CO2 ატმოსფეროში იზრდება გეომეტრიული პროგრესიაწელიწადში 4-5%-ით. გამოთვლების მიხედვით, 2000 წელს CO2 შემცველობა ატმოსფეროში 0,03%-ის ნაცვლად მიაღწევს დაახლოებით 0,04%-ს (1990 წ.).
ნახშირბადის შემცველი ნაერთების თვისებებისა და მახასიათებლების განხილვის შემდეგ, კიდევ ერთხელ უნდა აღინიშნოს ნახშირბადის წამყვანი როლი.
ბრინჯი. 12.3.ნახშირბადის ციკლი შიგნით ბუნება
ორგანოგენი No1: პირველ რიგში, ნახშირბადის ატომები ქმნიან ორგანული ნაერთების მოლეკულების ჩონჩხს; მეორეც, ნახშირბადის ატომები თამაშობენ საკვანძო როლირედოქს პროცესებში, ვინაიდან ყველა ორგანოგენის ატომებს შორის, ეს არის ნახშირბადი, რომელიც ყველაზე მეტად ახასიათებს რედოქს ორმაგობას. ორგანული ნაერთების თვისებების შესახებ დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ მოდული IV „ბიოორგანული ქიმიის საფუძვლები“.
ზოგადი მახასიათებლებიდა IVA ჯგუფის p-ელემენტების ბიოლოგიური როლი.ნახშირბადის ელექტრონული ანალოგები IVA ჯგუფის ელემენტებია: სილიციუმი Si, გერმანიუმი Ge, კალა Sn და ტყვიის Pb (იხ. ცხრილი 1.2). ამ ელემენტების ატომების რადიუსი ბუნებრივად იზრდება მატებასთან ერთად სერიული ნომერიდა მათი იონიზაციის ენერგია და ელექტრონეგატიურობა ბუნებრივად მცირდება (ნაწილი 1.3). მაშასადამე, ჯგუფის პირველი ორი ელემენტი: ნახშირბადი და სილიციუმი ტიპიური არამეტალებია, ხოლო გერმანიუმი, კალა და ტყვია არის ლითონები, რადგან მათ ყველაზე მეტად ახასიათებთ ელექტრონების დაკარგვა. სერიაში Ge - Sn - Pb იზრდება მეტალის თვისებები.
რედოქსის თვისებების თვალსაზრისით, ელემენტები C, Si, Ge, Sn და Pb ნორმალურ პირობებში საკმაოდ სტაბილურია ჰაერისა და წყლის მიმართ (ლითონები Sn და Pb - ზედაპირზე ოქსიდის ფირის წარმოქმნის გამო. ). ამავდროულად, ტყვიის ნაერთები (4) ძლიერი ჟანგვის აგენტებია:
კომპლექსური თვისებები ყველაზე მეტად ახასიათებს ტყვიას, რადგან მისი Pb 2+ კათიონები ძლიერი კომპლექსური აგენტებია IVA ჯგუფის სხვა p-ელემენტების კატიონებთან შედარებით. ტყვიის კათიონები ქმნიან ძლიერ კომპლექსებს ბიოლიგანდებთან.
IVA ჯგუფის ელემენტები მკვეთრად განსხვავდება როგორც სხეულში, ასევე შინაარსობრივად ბიოლოგიური როლი. ნახშირბადი ფუნდამენტურ როლს ასრულებს სხეულის ცხოვრებაში, სადაც მისი შემცველობა დაახლოებით 20% -ს შეადგენს. სხვა ჯგუფის IVA ელემენტების შემცველობა ორგანიზმში 10 -6 -10 -3% ფარგლებშია. ამავდროულად, თუ სილიციუმი და გერმანიუმი უდავოდ მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ სხეულის ცხოვრებაში, მაშინ კალა და განსაკუთრებით ტყვია ტოქსიკურია. ამრიგად, IVA ჯგუფის ელემენტების ატომური მასის მატებასთან ერთად, იზრდება მათი ნაერთების ტოქსიკურობა.
ქვანახშირის ან სილიციუმის დიოქსიდის SiO2 ნაწილაკებისგან შემდგარი მტვერი ფილტვებში სისტემატიურად მოხვედრისას იწვევს დაავადებებს - პნევმოკონიოზს. ქვანახშირის მტვრის შემთხვევაში ეს არის ანთრაკოზი, მაღაროელების პროფესიული დაავადება. Si02-ის შემცველი მტვრის ჩასუნთქვისას სილიკოზი ვითარდება. პნევმოკონიოზის განვითარების მექანიზმი ჯერ არ არის დადგენილი. ვარაუდობენ, რომ სილიკატური ქვიშის მარცვლების ბიოლოგიურ სითხეებთან ხანგრძლივი კონტაქტის დროს გელის მსგავს მდგომარეობაში წარმოიქმნება პოლისილიციუმის მჟავა Si02 yH2O, რომლის დალექვა უჯრედებში იწვევს მათ სიკვდილს.
ტყვიის ტოქსიკური ეფექტი კაცობრიობისთვის ცნობილია ძალიან დიდი ხნის განმავლობაში. ჭურჭლისა და წყლის მილების დასამზადებლად ტყვიის გამოყენებამ გამოიწვია ადამიანების მასიური მოწამვლა. ამჟამად ტყვია კვლავ რჩება ერთ-ერთ მთავარ დამაბინძურებელად გარემო, ვინაიდან ტყვიის ნაერთების ემისია ატმოსფეროში ყოველწლიურად 400000 ტონაზე მეტია. ტყვია ძირითადად ჩონჩხში გროვდება ცუდად ხსნადი ფოსფატის Pb3(PO4)2 სახით, ხოლო ძვლების დემინერალიზაციისას მას აქვს რეგულარული ტოქსიკური მოქმედება სხეულზე. ამიტომ ტყვია კლასიფიცირდება როგორც კუმულაციური შხამი. ტყვიის ნაერთების ტოქსიკურობა უპირველეს ყოვლისა დაკავშირებულია მის კომპლექსურ თვისებებთან და ბიოლიგანდებთან, განსაკუთრებით მათთან, რომლებიც შეიცავს სულფჰიდრილ ჯგუფებს (-SH):
ტყვიის იონების რთული ნაერთების წარმოქმნა ცილებთან, ფოსფოლიპიდებთან და ნუკლეოტიდებთან იწვევს მათ დენატურაციას. ხშირად ტყვიის იონები აინჰიბირებენ EM 2+ მეტალოფერმენტებს, ანაცვლებენ მათგან სიცოცხლის მეტალის კატიონებს:
ტყვია და მისი ნაერთები არის შხამები, რომლებიც ძირითადად მოქმედებს ნერვული სისტემასისხლძარღვები და სისხლი. ამავდროულად, ტყვიის ნაერთები გავლენას ახდენენ ცილების სინთეზზე, უჯრედების ენერგეტიკულ ბალანსზე და მათ გენეტიკურ აპარატზე.
მედიცინაში შემკვრელ საშუალებად გამოიყენება შემდეგი გარეგანი ანტისეპტიკები: ტყვიის აცეტატი Pb(CH3COO)2 ZH2O (ტყვიის ლოსიონები) და ტყვიის(2) ოქსიდი PbO (ტყვიის თაბაშირი). ამ ნაერთების ტყვიის იონები რეაგირებენ ცილებთან (ალბუმინთან) მიკრობული უჯრედების და ქსოვილების ციტოპლაზმაში, წარმოქმნიან გელისმაგვარ ალბუმინატებს. გელების წარმოქმნა კლავს მიკრობებს და, გარდა ამისა, ართულებს მათ შეღწევას ქსოვილის უჯრედებში, რაც ამცირებს ადგილობრივ ანთებით პასუხს.
ნახშირბადი (ლათ. Carboneum) მენდელეევის პერიოდული სისტემის მე-2 პერიოდის მე-14 ჯგუფის ქიმიური ელემენტია (ძველ ნუმერაციაში IV ჯგუფი); ატომური ნომერი 6, ატომური მასა 12.011.
ნახშირბადი ძალიან განსაკუთრებული ქიმიური ელემენტია. ნახშირბადის ქიმიიდან გაიზარდა ორგანული ქიმიის ძლიერი ხე მისი ყველაზე რთული სინთეზებით და შესწავლილი ნაერთების უზარმაზარი ასორტიმენტით. ორგანული ქიმიის ახალი დარგები ჩნდება. ყველა ცოცხალი არსება, რომლებიც ქმნიან ბიოსფეროს, აგებულია ნახშირბადის ნაერთებისგან. და ხეები, რომლებიც დიდი ხნის წინ მოკვდნენ, მილიონობით წლის წინ, გადაიქცნენ ნახშირბადის შემცველ საწვავად - ქვანახშირი, ტორფი და ა.შ. ავიღოთ ყველაზე ჩვეულებრივი ფანქარი - ყველასთვის ნაცნობი საგანი. გასაკვირი არ არის, რომ მოკრძალებული გრაფიტის ღერო დაკავშირებულია ცქრიალა ალმასთან, ბუნებაში ყველაზე რთულ ნივთიერებასთან? ბრილიანტი, გრაფიტი, კარბინი ნახშირბადის ალოტროპული მოდიფიკაციებია (იხ. ალოტროპია). გრაფიტის (1), ალმასის (2), კარაბინის (3) სტრუქტურა.
ამ ნივთიერების ადამიანის გაცნობის ისტორია საუკუნეებს ითვლის. ნახშირბადის აღმოჩენის სახელი უცნობია, უცნობია რომელი ფორმა სუფთა ნახშირბადი- გრაფიტი ან ბრილიანტი - ადრე აღმოაჩინეს. მხოლოდ მე -18 საუკუნის ბოლოს. აღიარებულია, რომ ნახშირბადი დამოუკიდებელი ქიმიური ელემენტია.
ნახშირბადის შემცველობა დედამიწის ქერქში არის 0,023% მასის მიხედვით. ნახშირბადი არის მთავარი კომპონენტიფლორა და ფაუნა. ყველა წიაღისეული საწვავი - ნავთობი, გაზი, ტორფი, ფიქალი - ნახშირბადის ბაზაზეა აგებული, ნახშირი განსაკუთრებით მდიდარია ნახშირბადით. ნახშირბადის უმეტესი ნაწილი კონცენტრირებულია მინერალებში - კირქვა CaCO 3 და დოლომიტი CaMg(CO 3) 2, რომლებიც წარმოადგენენ ტუტე მიწის ლითონების მარილებს და სუსტი ნახშირბადის მჟავას H 2 CO 3.
სასიცოცხლო ელემენტებს შორის ნახშირბადი ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანია: სიცოცხლე ჩვენს პლანეტაზე ნახშირბადის საფუძველზეა აგებული. რატომ? ამ კითხვაზე პასუხი მოცემულია დ.ი. მენდელეევის „ქიმიის საფუძვლებში“: „ნახშირბადი გვხვდება ბუნებაში როგორც თავისუფალ, ისე შემაერთებელ მდგომარეობაში, ძალიან განსხვავებულ ფორმებში და ტიპებში... ნახშირბადის ატომების დაკავშირების უნარი. სხვა და მისცეს რთული ნაწილაკები ვლინდება ყველა ნახშირბადის ნაერთში... არცერთ ელემენტში... სირთულის უნარი არ არის განვითარებული ისე, როგორც ნახშირბადში... არცერთი წყვილი ელემენტი არ იძლევა იმდენ ნაერთს, რამდენიც ნახშირბადი და წყალბადი .”
მართლაც, ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ სხვადასხვაგვარად გაერთიანდნენ ერთმანეთთან და მრავალი სხვა ელემენტის ატომებთან და წარმოქმნან ნივთიერებების უზარმაზარი მრავალფეროვნება. მათი ქიმიური ობლიგაციები შეიძლება ჩამოყალიბდეს და განადგურდეს გავლენის ქვეშ ბუნებრივი ფაქტორები. ასე წარმოიქმნება ბუნებაში ნახშირბადის ციკლი: ატმოსფეროდან - მცენარეებში, მცენარეებიდან - ცხოველურ ორგანიზმებში, მათგან - მცენარეებში. უსულო ბუნებასად არის ნახშირბადი, არის სხვადასხვა ნივთიერებები, სადაც არის ნახშირბადი, არის ყველაზე მრავალფეროვანი სტრუქტურები მოლეკულურ არქიტექტურაში (იხ. ნახშირწყალბადები).
დედამიწის ქერქში ნახშირბადის დაგროვება დაკავშირებულია მრავალი სხვა ელემენტის დაგროვებასთან, რომლებიც დალექილია უხსნადი კარბონატების სახით და ა.შ. CO 2 და ნახშირბადის მჟავა მნიშვნელოვან გეოქიმიურ როლს ასრულებს დედამიწის ქერქში. დიდი რაოდენობით CO 2 გამოიყოფა ვულკანიზმის დროს - დედამიწის ისტორიაში ის იყო ნახშირბადის მთავარი წყარო ბიოსფეროსთვის.
არაორგანული ნახშირბადის ნაერთები რაოდენობით გაცილებით მცირეა, ვიდრე ორგანული. ნახშირბადი ალმასის, გრაფიტისა და ნახშირის სახით ერწყმის მხოლოდ გაცხელებისას. მაღალ ტემპერატურაზე ის აერთიანებს ლითონებს და ზოგიერთ არამეტალს, როგორიცაა ბორი, და ქმნის კარბიდებს.
არაორგანული ნახშირბადის ნაერთებიდან ყველაზე ცნობილია ნახშირმჟავას მარილები, ნახშირორჟანგი CO 2 (ნახშირორჟანგი) და ნახშირორჟანგი CO. გაცილებით ნაკლებად ცნობილია მესამე ოქსიდი, C 3 O 2 - უფერო გაზი უსიამოვნო, მძაფრი სუნით.
დედამიწის ატმოსფერო შეიცავს 2,3 10 12 ტონა CO 2 დიოქსიდს, სუნთქვისა და წვის პროდუქტს. ეს არის ნახშირბადის მთავარი წყარო მცენარის განვითარებისთვის. ნახშირბადის მონოქსიდი CO, რომელიც ცნობილია ნახშირბადის მონოქსიდის სახელით, წარმოიქმნება საწვავის არასრული წვის დროს: მანქანის გამონაბოლქვი აირებში და ა.შ.
ინდუსტრიაში ნახშირბადის მონოქსიდი CO გამოიყენება როგორც შემცირების საშუალება (მაგალითად, თუჯის დნობისას აფეთქების ღუმელში) და ორგანული ნივთიერებების სინთეზისთვის (მაგალითად, მეთილის სპირტი რეაქციის მიხედვით: CO + 2H 2 → CH 3 ( ოჰ).
ელემენტარული ნახშირბადის ყველაზე ცნობილი ალოტროპული მოდიფიკაციები: ბრილიანტი- სივრცითი, მოცულობითი სტრუქტურის არაორგანული პოლიმერი; გრაფიტი- პლანშეტური სტრუქტურის პოლიმერი; კარაბინი- ნახშირბადის ხაზოვანი პოლიმერი, რომელიც არსებობს ორი ფორმით, განსხვავდება ქიმიური ბმების ბუნებით და მონაცვლეობით; ორგანზომილებიანი მოდიფიკაცია გრაფენი; ნახშირბადის ნანომილებიცილინდრული სტრუქტურა. (იხ. ალოტროპია).
ბრილიანტი- ნახშირბადის კრისტალური ფორმა, იშვიათი მინერალი, სიმტკიცეთ აღემატება ყველა ბუნებრივ და ყველა ხელოვნურ მასალას კრისტალური ბორის ნიტრიდის გარდა. ალმასის დიდი კრისტალები, ჭრის შემდეგ, იქცევა ყველაზე ძვირფას ქვებად - ბრილიანტებად.
მე-17 საუკუნის ბოლოს. ფლორენციელმა მეცნიერებმა ავერანი და ტარჯიონი ცდილობდნენ რამდენიმე პატარა ბრილიანტი ერთ დიდ ბრილიანტში შეერწყათ, გააცხელეს. მზის სხივებიდამწვარი შუშის გამოყენებით. ბრილიანტები გაქრა, ჰაერში იწვა... დაახლოებით ასი წელი გავიდა, სანამ ფრანგმა ქიმიკოსმა ა.ლავუაზიემ 1772 წელს არა მხოლოდ გაიმეორა ეს ექსპერიმენტი, არამედ ახსნა ალმასის გაქრობის მიზეზები: დაიწვა ძვირფასი ალმასის კრისტალი. ისევე, როგორც სხვა ექსპერიმენტებში დამწვარი ნაჭრები ფოსფორისა და ნახშირის. და მხოლოდ 1797 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ს.ტენანტმა დაამტკიცა ალმასის და ნახშირის ბუნების იდენტურობა. მან აღმოაჩინა, რომ ნახშირორჟანგის მოცულობები ქვანახშირისა და ალმასის თანაბარი მასების წვის შემდეგ ერთნაირი აღმოჩნდა. ამის შემდეგ მრავალი მცდელობა გაკეთდა ალმასის ხელოვნურად მოპოვება გრაფიტის, ნახშირის და ნახშირბადის შემცველი მასალებისგან მაღალ ტემპერატურასა და წნევაზე. ზოგჯერ ამ ექსპერიმენტების შემდეგ აღმოჩენილი იყო პატარა ბრილიანტის მსგავსი კრისტალები, მაგრამ წარმატებული ექსპერიმენტები არასოდეს იყო შესაძლებელი.
ალმასის სინთეზი შესაძლებელი გახდა მას შემდეგ, რაც საბჭოთა ფიზიკოსმა ო.ი. ლეიპუნსკიმ 1939 წელს გამოთვალა პირობები, რომლებშიც გრაფიტი შეიძლება გადაიქცეს ალმასად (წნევა დაახლოებით 60000 ატმ, ტემპერატურა 1600-2000 °C). 50-იან წლებში. საუკუნეში, თითქმის ერთდროულად რამდენიმე ქვეყანაში, მათ შორის სსრკ-ში, ხელოვნური ბრილიანტი იწარმოებოდა ინდუსტრიულ პირობებში. დღეისათვის, ყოველდღიურად 2000 კარატი ხელოვნური ბრილიანტი იწარმოება ერთი შიდა სამრეწველო დანადგარიდან (1 კარატი = 0,2 გ). საბურღი დანადგარების ბრილიანტის ნაჭრები, ალმასის საჭრელი ხელსაწყოები, ბრილიანტის ჩიპებით დაფქვა ბორბლები საიმედოდ და დიდხანს მუშაობს. ხელოვნური ბრილიანტი, ბუნებრივი კრისტალების მსგავსად, ფართოდ გამოიყენება თანამედროვე ტექნოლოგიებში.
კიდევ ერთი წმინდა ნახშირბადის პოლიმერი პრაქტიკაში კიდევ უფრო ფართოდ გამოიყენება - გრაფიტი. გრაფიტის კრისტალში ნახშირბადის ატომები, რომლებიც დევს იმავე სიბრტყეში, მჭიდროდ არის შეკრული რეგულარულ ექვსკუთხედებად. ექვსკუთხედები საერთო სახეებით ქმნიან შეფუთულ სიბრტყეებს. სხვადასხვა წყობის ნახშირბადის ატომებს შორის კავშირი სუსტია. გარდა ამისა, მანძილი სხვადასხვა სიბრტყის ნახშირბადის ატომებს შორის თითქმის 2,5-ჯერ მეტია, ვიდრე იმავე სიბრტყის მეზობელ ატომებს შორის. ამიტომ, მცირე ძალა საკმარისია გრაფიტის კრისტალის ცალკეულ ფანტელებად გასაყოფად. ამიტომ ფანქრის გრაფიტის ტყვია ტოვებს კვალს ქაღალდზე. ერთსა და იმავე სიბრტყეში მდებარე ნახშირბადის ატომებს შორის კავშირის განადგურება შეუდარებლად უფრო რთულია. ამ ობლიგაციების სიძლიერე არის გრაფიტის მაღალი ქიმიური წინააღმდეგობის მიზეზი. ცხელი ტუტე და მჟავებიც კი არ მოქმედებს მასზე, გარდა კონცენტრირებული აზოტის მჟავისა.
გარდა მაღალი ქიმიური წინააღმდეგობისა, გრაფიტს ახასიათებს მაღალი სითბოს წინააღმდეგობა: მისგან დამზადებული პროდუქტების გამოყენება შესაძლებელია 3700 °C-მდე ტემპერატურაზე. ელექტრული დენის გატარების უნარმა განსაზღვრა გრაფიტის გამოყენების მრავალი სფერო. ის საჭიროა ელექტროტექნიკაში, მეტალურგიაში, დენთის წარმოებასა და ბირთვულ ტექნოლოგიაში. უმაღლესი სისუფთავის გრაფიტი გამოიყენება რეაქტორის მშენებლობაში, როგორც ეფექტური ნეიტრონული მოდერატორი.
ხაზოვანი ნახშირბადის პოლიმერი - კარაბინიაქამდე იგი პრაქტიკაში შეზღუდული რაოდენობით იყო გამოყენებული. კარბინის მოლეკულაში ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია ჯაჭვებში მონაცვლეობით სამმაგი და ერთჯერადი ბმებით:
−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−
ეს ნივთიერება პირველად მიიღეს საბჭოთა ქიმიკოსებმა V.V.Sladkov-მა, V.I. სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის ორგანოელემენტური ნაერთების ინსტიტუტში. კარბინს აქვს ნახევარგამტარული თვისებები და მისი გამტარობა მნიშვნელოვნად იზრდება სინათლის ზემოქმედებისას. პირველი ეფუძნება ამ ქონებას პრაქტიკული გამოყენება- ფოტოცელებში.
კარბინის სხვა ფორმის - პოლიკუმულენის (β-კარბინის) მოლეკულაში, რომელიც ასევე პირველად იქნა მიღებული ჩვენს ქვეყანაში, ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია განსხვავებულად, ვიდრე კარბინში - მხოლოდ ორმაგი ბმებით:
═C═C═C═C═C═C═C═C═C═
ნომერი მეცნიერებისთვის ცნობილიაორგანული ნაერთები - ნახშირბადის ნაერთები - აჭარბებს 7 მილიონს. ნახშირბადის ორგანულ ნაერთებს სწავლობენ ისეთი დამოუკიდებელი მეცნიერებები, როგორიცაა ორგანული ქიმია, ბიოქიმია და ბუნებრივი ნაერთების ქიმია.
ნახშირბადის ნაერთების მნიშვნელობა ადამიანის ცხოვრებაში ფასდაუდებელია - ფიქსირებული ნახშირბადი ყველგან გარს გვახვევს: ატმოსფეროში და ლითოსფეროში, მცენარეებსა და ცხოველებში, ტანსაცმელსა და საკვებში.
1. ყველა ორგანულ ნაერთში ნახშირბადის ატომს აქვს 4 ვალენტობა.
2. ნახშირბადს შეუძლია შექმნას მარტივი და ძალიან რთული მოლეკულები (მაღალმოლეკულური ნაერთები: ცილები, რეზინები, პლასტმასი).
3. ნახშირბადის ატომები აკავშირებენ არა მარტო სხვა ატომებს, არამედ ერთმანეთთანაც, ქმნიან სხვადასხვა ნახშირბად-ნახშირბადის ჯაჭვებს - სწორ, განშტოებულ, დახურულს:
4. ნახშირბადის ნაერთებს ახასიათებს იზომერიზმის ფენომენი, ე.ი. როდესაც ნივთიერებებს აქვთ ერთი და იგივე ხარისხობრივი და რაოდენობრივი შემადგენლობა, მაგრამ განსხვავებული ქიმიური სტრუქტურა და, შესაბამისად, განსხვავებული თვისებები. მაგალითად: ემპირიული ფორმულა C 2 H 6 O შეესაბამება ნივთიერებების ორ განსხვავებულ სტრუქტურას:
ეთანოლიდიმეთილის ეთერი,
სითხე, t 0 boil. = +78 0 C გაზი, t 0 boil. = -23,7 0 C
ამრიგად, ეთილის სპირტი და დიმეთილეთერი არის იზომერები.
5. ორგანული ნივთიერებების უმეტესობის წყალხსნარები არაელექტროლიტებია, მათი მოლეკულები არ იშლება იონებად.
იზომერიზმი.
1823 წელს ეს ფენომენი აღმოაჩინეს იზომერიზმი- ნივთიერებების არსებობა ერთი და იგივე მოლეკულური შემადგენლობით, მაგრამ ფლობენ სხვადასხვა თვისებები. რა არის იზომერებს შორის განსხვავება? ვინაიდან მათი შემადგენლობა ერთნაირია, მიზეზი მხოლოდ მოლეკულაში ატომების შეერთების სხვადასხვა თანმიმდევრობაში შეიძლება ვეძებოთ.
ჯერ კიდევ ქიმიური სტრუქტურის თეორიის შექმნამდე A.M. ბუტლეროვმა იწინასწარმეტყველა, რომ ბუტანისთვის C 4 H 10, რომელსაც აქვს წრფივი სტრუქტურა CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3 t 0 (დუღილის წერტილი -0,5 0 C), სხვა ნივთიერების არსებობა იგივე მოლეკულური ფორმულით, მაგრამ განსხვავებული, შესაძლებელია ნახშირბადის ატომების მოლეკულაში შეერთების თანმიმდევრობა:
იზობუტანი
t 0 kip. – 11,7 0 C
Ისე, იზომერები- ეს არის ნივთიერებები, რომლებსაც აქვთ იგივე მოლეკულური ფორმულა, მაგრამ განსხვავებული ქიმიური სტრუქტურა და, შესაბამისად, განსხვავებული თვისებები. იზომერიზმის ორი ძირითადი ტიპი არსებობს - სტრუქტურულიდა სივრცითი.
სტრუქტურულიჰქვია იზომერები მქონე განსხვავებული შეკვეთაატომების კავშირები მოლეკულაში. მისი სამი ტიპი არსებობს:
ნახშირბადის ჩონჩხის იზომერიზმი:
S – S – S – S – S S – S – S – S
მრავალჯერადი ბმის იზომერიზმი:
C = C – C – C C – C = C – C
- კლასთაშორისი იზომერიზმი:
 |
პროპიონის მჟავა
სივრცითი იზომერიზმი.სივრცულ იზომერებს აქვთ იდენტური შემცვლელები ნახშირბადის თითოეულ ატომზე. მაგრამ ისინი განსხვავდებიან თავიანთი ფარდობითი მდებარეობით სივრცეში. ამ იზომერიზმის ორი ტიპი არსებობს: გეომეტრიული და ოპტიკური. გეომეტრიული იზომერიზმი დამახასიათებელია ნაერთებისთვის, რომლებსაც აქვთ პლანშეტური მოლეკულური სტრუქტურა (ალკენები, ციკლოალკანები, ალკადიენები და სხვ.). თუ ნახშირბადის ატომების იდენტური შემცვლელები, მაგალითად, ორმაგ ბმაში, განლაგებულია მოლეკულის სიბრტყის იმავე მხარეს, მაშინ ეს იქნება ცის იზომერი, შესაბამისად. სხვადასხვა მხარეები- ტრანს იზომერი:
 |  |
||
ოპტიკური იზომერიზმი- ასიმეტრიული ნახშირბადის ატომის მქონე ნაერთების დამახასიათებელი, რომელიც დაკავშირებულია ოთხ სხვადასხვა შემცვლელთან. ოპტიკური იზომერები ერთმანეთის სარკისებური გამოსახულებაა. Მაგალითად:
ატომის ელექტრონული სტრუქტურა.
ატომის სტრუქტურა შესწავლილია არაორგანულ ქიმიასა და ფიზიკაში. ცნობილია, რომ ატომი განსაზღვრავს ქიმიური ელემენტის თვისებებს. ატომი შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისგან, რომელშიც კონცენტრირებულია მთელი მისი მასა და ბირთვის გარშემო მყოფი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები.
მას შემდეგ, რაც პროცესში ქიმიური რეაქციებირეაქტიული ატომების ბირთვები არ იცვლება, მაშინ ატომების ფიზიკური და ქიმიური თვისებები დამოკიდებულია ატომების ელექტრონული გარსების სტრუქტურაზე. ელექტრონებს შეუძლიათ გადავიდნენ ერთი ატომიდან მეორეში, შეუძლიათ გაერთიანდნენ და ა.შ. აქედან გამომდინარე, ჩვენ დეტალურად განვიხილავთ ატომში ელექტრონების განაწილების საკითხს ატომის სტრუქტურის კვანტური თეორიის საფუძველზე. ამ თეორიის მიხედვით, ელექტრონს ერთდროულად აქვს ნაწილაკის (მასა, მუხტის) და ტალღური ფუნქციის თვისებები. მოძრავი ელექტრონებისთვის შეუძლებელია ზუსტი ადგილმდებარეობის დადგენა. ისინი განლაგებულია სივრცეში ატომის ბირთვთან ახლოს. შეიძლება განისაზღვროს ალბათობაელექტრონის პოვნაში სხვადასხვა ნაწილებისივრცე. ელექტრონი, როგორც იყო, ამ სივრცეში ღრუბლის სახით არის "ნაცხიანი" (სურათი 1), რომლის სიმკვრივე მცირდება.
სურათი 1.
სივრცის რეგიონს, რომელშიც ელექტრონის პოვნის ალბათობა მაქსიმალურია (≈ 95%) ე.წ. ორბიტალური.
კვანტური მექანიკის მიხედვით, ატომში ელექტრონის მდგომარეობა განისაზღვრება ოთხი კვანტური რიცხვით: მთავარი (n), ორბიტალური (ლ), მაგნიტური(მ)და დატრიალება(ს).
ძირითადი კვანტური რიცხვი n – ახასიათებს ელექტრონის ენერგიას, ორბიტალის მანძილს ბირთვიდან, ე.ი. ენერგიის დონეს და იღებს მნიშვნელობებს 1, 2, 3 და ა.შ. ან K, L, M, N და ა.შ. მნიშვნელობა n = 1 შეესაბამება ყველაზე დაბალ ენერგიას. მატებასთან ერთად ნელექტრონის ენერგია იზრდება. ენერგიის დონეზე მდებარე ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა განისაზღვრება ფორმულით: N=2n2, სადაც n არის დონის რიცხვი, შესაბამისად:
n = 1 N = 2 n = 3 N = 18
n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 და ა.შ.
ენერგეტიკული დონის ფარგლებში ელექტრონები განლაგებულია ქვედონეებად (ან ქვეშელებად). მათი რიცხვი შეესაბამება ენერგეტიკული დონის რაოდენობას, მაგრამ ისინი ხასიათდება ორბიტალური კვანტური ნომერი l,რომელიც განსაზღვრავს ორბიტალის ფორმას. ის იღებს მნიშვნელობებს 0-დან n-1-მდე. ზე
n=1 ლ= 0 n = 2 ლ= 0, 1 n = 3 ლ= 0, 1, 2 n = 4 ლ= 0, 1, 2, 3
ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა ქვედონეზე განისაზღვრება ფორმულით: 2(2ლ + 1). ასოების აღნიშვნები გამოიყენება ქვედონეებისთვის:
ლ = 1, 2, 3, 4
ამიტომ, თუ n = 1, ლ= 0, ქვედონე s.
n = 2, ლ= 0, 1, ქვედონე s, გვ.
მაქსიმალური თანხაელექტრონები ქვედონეებზე:
N s = 2 N d = 10
N p = 6 N f = 14 და ა.შ.
ქვედონეებში ელექტრონების ამ რაოდენობაზე მეტი არ შეიძლება იყოს. ელექტრონული ღრუბლის ფორმა განისაზღვრება მნიშვნელობით ლ. ზე
ლ= 0 (s-ორბიტალი) ელექტრონულ ღრუბელს აქვს სფერული ფორმა და არ აქვს სივრცითი მიმართულება.
სურათი 2.
l = 1 (p-ორბიტალი) ელექტრონულ ღრუბელს აქვს ჰანტელი ან რვა ფიგურის ფორმა:
სურათი 3.
მაგნიტური კვანტური რიცხვი mახასიათებს
ორბიტალების განლაგება სივრცეში. მას შეუძლია მიიღოს ნებისმიერი რიცხვის მნიშვნელობები –l-დან +l-მდე, მათ შორის 0. მაგნიტური კვანტური რიცხვის შესაძლო მნიშვნელობების რაოდენობა მოცემული ღირებულება ლუდრის (2 ლ+ 1). Მაგალითად:
ლ= 0 (s-ორბიტალი) m = 0, ე.ი. s ორბიტალს აქვს მხოლოდ ერთი პოზიცია სივრცეში.
ლ= 1 (p-ორბიტალი) m = -1, 0, +1 (3 მნიშვნელობა).
ლ= 2 (d-ორბიტალი) m = -2, -1, 0, +1, +2 და ა.შ.
p და d ორბიტალებს აქვთ 3 და 5 მდგომარეობა, შესაბამისად.
p ორბიტალები წაგრძელებულია გასწვრივ კოორდინატთა ღერძებიდა ისინი დანიშნულია p x, p y, p z -ორბიტალები.
დაატრიალეთ კვანტური რიცხვი s- ახასიათებს ელექტრონის ბრუნვას საკუთარი ღერძის გარშემო საათის ისრის და საწინააღმდეგო ისრის მიმართულებით. მას შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ ორი მნიშვნელობა: +1/2 და -1/2. ატომის ელექტრონული გარსის სტრუქტურა გამოსახულია ელექტრონული ფორმულით, რომელიც აჩვენებს ელექტრონების განაწილებას ენერგიის დონეებსა და ქვედონეებზე. ამ ფორმულებში ენერგიის დონეები აღინიშნება რიცხვებით 1, 2, 3, 4..., ქვედონეები აღინიშნება ასოებით s, p, d, f. ელექტრონების რაოდენობა ქვედონეზე იწერება სიმძლავრის სახით. მაგალითად: ელექტრონების მაქსიმალური რაოდენობა s 2, p 6, d 10, f 14.
ელექტრონული ფორმულები ხშირად გამოსახულია გრაფიკულად, რომლებიც აჩვენებენ ელექტრონების განაწილებას არა მხოლოდ დონეებსა და ქვედონეებზე, არამედ ორბიტალებზეც, რომლებიც მითითებულია მართკუთხედით. ქვედონეები იყოფა კვანტურ უჯრედებად.
თავისუფალი კვანტური უჯრედი
უჯრედი დაუწყვილებელი ელექტრონით
უჯრედი დაწყვილებული ელექტრონებით
s-ქვედონეზე არის ერთი კვანტური უჯრედი.
p-ქვედონეზე არის 3 კვანტური უჯრედი.
d-ქვედონეზე არის 5 კვანტური უჯრედი.
f-ქვედონეზე არის 7 კვანტური უჯრედი.
განისაზღვრება ელექტრონების განაწილება ატომებში პაულის პრინციპიდა ჰუნდის წესი. პაულის პრინციპის მიხედვით: ატომს არ შეიძლება ჰქონდეს ელექტრონები ოთხივე კვანტური რიცხვის ერთნაირი მნიშვნელობებით.პაულის პრინციპის შესაბამისად, ენერგეტიკულ უჯრედს შეიძლება ჰქონდეს ერთი, ან მაქსიმუმ ორი, საპირისპირო სპინების მქონე ელექტრონი. უჯრედების შევსება ხდება ჰუნდის პრინციპის მიხედვით, რომლის მიხედვითაც ელექტრონები ჯერ სათითაოდ განლაგებულია თითოეულ ცალკეულ უჯრედში, შემდეგ, როდესაც მოცემული ქვედონის ყველა უჯრედი დაიკავებს, იწყება ელექტრონების დაწყვილება.
ატომური ელექტრონული ორბიტალების შევსების თანმიმდევრობა განისაზღვრება ვ. კლეჩკოვსკის წესებით, ჯამიდან გამომდინარე (n + ლ):
პირველ რიგში, ივსება ის ქვედონეები, რომლებისთვისაც ეს თანხა უფრო მცირეა;
ჯამის იგივე მნიშვნელობებისთვის (n + ლ) ჯერ ივსება ქვედა მნიშვნელობის მქონე ქვედონე ნ.
Მაგალითად:
ა) განიხილეთ ქვედონეების 3d და 4s შევსება. განვსაზღვროთ ჯამი (n + ლ):
y 3d (n + ლ) = 3 + 2 = 5, y 4s (n + ლ) = 4 + 0 = 4, ამიტომ ჯერ ივსება 4s ქვედონე, შემდეგ კი 3D ქვედონე.
ბ) ქვედონეებისთვის 3d, 4p, 5s მნიშვნელობების ჯამი (n + ლ) = 5. კლეჩკოვსკის წესის შესაბამისად, შევსება იწყება n-ის უფრო მცირე მნიშვნელობით, ე.ი. 3d → 4p → 5s. ენერგიის დონეებისა და ატომების ქვედონეების ელექტრონებით შევსება ხდება შემდეგი თანმიმდევრობით: ვალენტობა n = 2 n = 1
Be-ს აქვს ელექტრონების დაწყვილებული წყვილი 2s 2 ქვედონეზე. გარედან ენერგიის მიწოდებისთვის, ელექტრონების ეს წყვილი შეიძლება განცალკევდეს და ატომის ვალენტობა გახდეს. ამ შემთხვევაში, ელექტრონი გადადის ერთი ქვედონედან მეორე ქვედონეზე. ამ პროცესს ე.წ ელექტრონის აგზნება.გრაფიკული ფორმულა იყავით აგზნებულ მდგომარეობაში ასე გამოიყურება:
და ვალენტობა არის 2.