Көміртек және оның қосылыстары

     Көміртек . Көміртек өте көп тараған элементтер қатарына жатпайды, бірақ оның маңызы ерекше, өйткені оның қосылыстары күллі тірі организмнің негізі болып табылады. Көміртек жаратылыста дербес күйде, әрі түрлі қосылыстардың құрамында болады.

     Көміртек барлық  тірі организмдердің тәнінде  болумен қатар, солардың ыдырауының  нәтижесінде жаралған тас көмір,  мұнай т.б. органикалық заттардың,  онымен қатар анорганикалық заттарда  да, көпшілік минералдардың құрамында  болады. Ондай минералдар – жер  бетінің әр жерінде тау-тау  болып, жиналып кездесетін кальцит – СаСО₃ (ізбес тас, мрамор, бор түрлерінде) және магнезит MgCO₃ пен доломит – СаСО₃∙МgCO₃.  Көміртек көмір қышқыл газ түрінде жер шарын айнала қоршаған атмосферада және табиғи сулардың барлығында еріген түрде болады.

     Көміртектің  табиғатта тұрақты екі изотобы  бар: ¹²С(98,892%) және ¹³С(1,108%). Космос сәулелерінің әсерінен β – радиоактивтігі бар изотоп ¹⁴С түзіледі:

 

                                    ¹⁴₇N + ¹₀n  =  ¹⁴₆C + ¹₁H

 

     Мұнан басқа массасы 10 нан 16 дейінгі радиактив изотоптары да алынды.  

     Дербес көміртек  екі жай зат алмаз және графит  түрінде кездеседі. Жаратылыста  көп кездесетін қазба көмірлердің  де кейбіреулерінің құрамында  99% дейін көміртек болады.

     Күллі органикалық  заттардың құрамына кіретіндігі, көміртектің қазір зерттелген қосылыстарының ғана саны миллионнан артықтығы, ал қалған барлық элементтердің күллі қосылыстарының саны 25-30 мыңнан артпайтындығы көміртектің ерекше маңызы бар екенін көрсетеді.       

     Химиялық  элементтердің  периодтық  жүйесінде  көміртек  II кіші  периодта  IV  топтың  негізгі  топшасында  орналасқан.

    Атом  құрылысы.

       Көміртектің  сыртқы  энергетикалық  деңгейінде  4 электрон  бар. Көміртек  атомындағы  электрондардың  орналасуы:

                               ₊₆С  )2e )4e

      

       Электрондық  формуласы:

                                   1s²  2s²   2p²

      Графиктік  формуласы

                                      1s       2s          2p

                                 

     

       Көміртектің  қосылыстағы  тотығу  дәрежелері: -4, +2, +4.

     Табиғатта  таралуы. Көміртек  табиғатта таралуы жағынан ерекше  орын  алады. Оның  қосылыстары тірі  табиғаттың  негізін  құрайды, өйткені  өсімдік  пен  жануарлар  ұлпасы  көміртек  қосылыстарынан  тұрады.

       Көміртек  жер  қыртысындағы  түрлі   минералдар  мен  тау  жыныстарының  құрамына  кіреді: СаСО₃ әктас немесе бор, MgCO₃ магнезит, CaCO₃∙MgCO₃ доломит, сондай-ақ шалшықта болатын CH₄  шалшық газы ретінде белгілі, ал ауада ол көміртек диоксиді СO₂ түрінде кездеседі.

   Физикалық қасиеттері. Көміртек бос күйінде алмаз, графит түрінде кездеседі. Алмаз бен графит  және кейінірек алынған карбин, фуллерен-көміртектің аллотропиялық түрөзгерістері.

      Алмаз. Табиғатта сирек кездеседі. Оның мол қоры Ресейдегі Якутияда және Африкада, тағы басқа жерлерде бар.

     Алмаз-түссіз, электр тогын өткізбейтін табиғатта кездесетін ең қатты зат, тығыздығы 3,5 г/см³. Оны қатты тау жыныстарын бұрғылау және шойын мен болатты тесуге арналған құрал жасауда қолданады, одан басқа да алмаздан бағалы асыл тас – гауһар алынады.

      Алмаз кристалындағы  көміртек атомдары бір-бірінен  бірдей қашықтықта тетраэдр түзе  орналасқан. Әрбір атомның арақашықтығы 1,54^оА.

      Графит. Графит-сұр түсті, аздап жылтыры бар, қолға, денеге, қағазға оңай жұғады. Тығыздығы 2,17-2,3 г/см³. Графиттен электродтар, отқа төзімді ыдыстар даярлайды. Графиттің маймен қоспасынан майлағыш заттар жасайды.

     Көміртектің  аллотрпиялық түрөзгерістеріне  тән ерекшелік, құрлысына қарай  олардың бір-біріне айналу мүмкіндігі  бар. Ерекше жағдайда, алмазды  ауа қатыстырмай жоғарғы температурада  қыздырғанда, 1000^оС-та графитке айналады. Керсінше графит 3000^оС-та , жоғарғы қысымда, өршіткі қатысында алмазға айналады.

     Таскөмірді, ағашты, сүйекті ауа қатыстырмай қыздыруға  болады. Оны құрғақ айдау деп атайды. Одан таза көміртек алынады. Таскөмірді айдаған кезде ұшқыш заттар бөлініп шыққан соң қалатын құрғақ айдау өнімі көміртекке бай-кокс. Ұшқыш өнімдерден 700-ге тарта жаңа заттар алынады. Ағашты құрғақ айдаудан ағаш көмірі алынады. Мұндай әдіспен алынған көмірдің газ бен еріген заттарды сіңіргіштік қабілеті жоғары болады. Егер ондай көмірді алдын ала қыздырылған су буынан өткізсе, оның сіңіргіштік қабілеті одан да жоғарылайды. Оны белсендірілген көмір деп атайды. Лакмус ертіндісіне белсендірілген көмір ұнтағын салып, шайқап араластырса, ерітіндінің бояуы жойылады, себебі көмір лакмусты бойына сіңіріп алады. Адсорбцияланған газдарды немесе бояуды қайта бөліп алу үшін көмірді қыздыру қажет. Осылай көмірді қайта қалпына келтіруге болады.

     Көмірдің және  басқа заттардың өз бетінде  газдарды, буды және еріген заттардың  бөліктерін ұстап қалу қабілеті адсорбция деп аталады.

      Қолданылуы. Белсендірілген көмірдің сіңіргіштік қасиетін падаланып, қантты, майды, балды бөгде қоспалардан тазартады.  Белсендірілген көмір дәріханада «карболен» таблетка түрінде сатылады. Ол тамақпен бірге асқазанға  түскен ерімтал зиянды заттардың әсерін жоятын дәрі ретінде қолданылады. Графитті электрод, жасанды алмаз алу, бояулар, дәрі-дәрмектер өндіруде және металлургияда кеңінен қолданады.

       Орыс  академигі Н.Д. Зелинский 1915жылы  белсендірілген қайың көмірін  газтұтатқышқа салып, ауадағы  зиянды қоспалардан тыныс алу  мүшелерін сақтау үшін қолдануду ұсынған. Көміртек таскөмірден алынады. Одан гафитті өзектер-электродтар, резеңке, бояу, адсорбенттер алуға болады. Қант және метталургия өнеркәсібінде қолданылады.

       Химиялық қасиеттері. Көміртек әрі тотықтырғыш, әрі тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді. Көміртек металдармен және сутекпен әрекеттескенде тотықтырғыш, ал оттекпен, галогендермен қосылысында тотықсыздандырғыш қасиет көрсетеді. Көміртек төмен температурада ғана енжар болып келеді.

       Көмірді  қатты қыздырғанда, оттекте немесе  ауада көміртек диоксидін, яғни  көмірқышқыл газын түзе түтінсіз  жанады, көп жылу бөледі:

                                                 700^оС

                                      С + О₂   =   СО₂ + 402 кДж      

 

     Егер толық жанбаса, көміртек монооксидін түзеді:

                                                   1000^ОС

                                      2С + О₂   =     2СО        

 

     Көміртек тотықсыздандырғыш ретінде хлормен әрекеттеседі, одан алынған көміртек тетрахлориді  CCI₄   органикалық еріткіш:

                                       С + 2CI₂  =  ССI₄

       Сутек атмосферасында көмірден жасалған өзекте электр доғасы пайда болған мезетте көміртек сутекпен әрекеттесіп, метан СН₄ түзеді.

                                                                               

                                       С + 2Н₂  =  СН₄

     Метан газы СН₄ табиғи газдың негізгі құрам бөлігі.

      Көміртек  тотықсыздандырғыш ретінде көптеген  металл оксидтерімен әрекеттеседі:

                                     0               +2            +4               0

                                    С + 2CuO  =  CO₂ + 2Cu

                                      0             +4             +4           0

                                      C + SnO₂  =  CO₂ + Sn   

     

     Көміртектің  тотықтырғыш ретінде металдармен  әрекеттесуінен түзілетін зат карбид дап аталады.

     Карбидтер -  өте жоғарғы температурада балқитын қатты кристалды заттар. Олардың ішіндегі көп қолданылатыны – кальций карбиді СаС₂. Кальций карбидін алу үшін  металдық кальцийді көмірмен қосып, арнайы пеште қыздырады:

                                                      t

                                       Са + 2С  =  СаС₂

 

     Қатты қыздырылған  кокс үстінен су буын өткізсе,  су газы мен СО газының қоспасы  алынады:

1200^oC 

                                        С + Н₂О  =  CO + H₂ – Q

 

     Бұл алынған қоспа су газы немесе генератор газы деп аталады.

Ол отын ретінде және көптеген органикалық заттарды синтездеу  үшін жұмсалады.

     Көміртек екі  түрлі оксид түзеді, олар көміртек (II) оксиді немесе көміртек монооксиді  СО және көміртек (IV) оксиді немесе  көміртек диоксиді СО₂. Көміртек диоксидін көпшілік « көмір қышқыл газы» деп атайды.

     Көміртек (II) оксиді. Көміртек (II) оксиді СО – жанғыш газ,  кәдімгі жағдайда химиялық салғырт, ал қыздырғанда күшті тотықсыздандырғыш болады.

     Алынуы. Бос күйіндегі көмірді немесе оның қосылыстарын (кокс, таскөмір, бензин) 1000^оС температурада жаққанда, оттек жеткіліксіз болған кезде көміртек монооксиді түзіледі:

                                     

                                           2С + О₂   =  2CO

  

  Өнеркәсіпте, мысалы, домна пешінде жоғары температурада,  қызған кокстен әуелі СО₂ газы пайда болады, одан оттек жетіспеген жағдайда көміртек монооксиді СО түзіледі:

                                       

                                           С + СО₂   =   2CO

      Физикалық қасиеттері. Көміртек (II) оксиді түссіз, иіссіз, дәмсіз, ауадан сәл жеңіл, улы газ, суда нашар ериді, қайнау температурасы өте төмен -192^оС.

     Химиялық қасиеттері. Көміртек (II) оксиді ауада көп жылу бөле отырып жанады:

                                      2СО + О₂  =  2СО₂ + 577 кДж

    

     Осы қасиетіне  қарай көміртек монооксиді СО  газ тектес отын ретінде пайдаланады.

     Көміртек монооксиді  СО жоғарғы температурада металл  оксидтерін тотықсыздандырып, бос  металды бөліп шығарады:

                              

                                       СО + СuO  =  Cu + CO₂

 

     Көміртек монооксиді  сумен, сілтімен және қышқыл  ертінділерімен әрекеттеспейді, сондықтан  тұз түзбейтін оксидке жатады. Байытылған газ тектес отын, генератор  газының құрамына көміртек (II) оксиді кіреді. Ондай отынды алуға арналған генератор қондырғыда қатты отынды: мысалы, коксты газ күйіне айналдырып пайдаға жаратады.

     Көміртек (IV) оксиді. Көміртек (IV) оксидінің молекулалық формуласы СО₂. Молекуласы сызықтық құрылысты болып келеді:

                                   

                                           О = C = O

    

Көміртек (IV) оксидінің  алынуы. Лабораторияда мәрмәрға сұйытылған тұз қышқылымен әсер етіп, көміртек диоксидін алуға болады:

                                  

                            CaCO₃ + 2HCI  =  CaCI₂ + H₂O   + CO₂    

  

 Өнеркәсіпте әктасты  термиялық жолмен қыздырып алады:

                                

                                       CaCO₃  = CaC   + CO₂      

  

  Физикалық қасиеттері. Көміртек диоксиді иіссіз, түссіз, ауадан 1.5 есе ауыр газ. Ол жанбайды және басқа заттардың жануын қолдамайды. Осы қасиетіне сәйкес өрт сөндіруге қолданылады. Кәдімгі температурада 60 атм. Қысымда СО₂ сұйық күйге айналады, ал сұйық көміртек диоксиді буланғанда жылуды көп сіңіреді де, қар сияқты қатты ақ түсті затқа айналады. Оны «құрғақ мұз» деп атайды.

     Атмосфералық  қысымда СО₂ газы -78^оС-та қайнайды.

   

 

    Химиялық қасиеттері.

     Көміртек диоксиді барлық қышқылдық оксидтер тәрізді аздап сумен әрекеттесіп, СО₂∙Н₂О гидрат түзеді, содан соң әлсіз көмір қышқылына айналады. Суда еріген СО₂-нің 1%-і ғана қышқыл түзеді: