განმარტება
Ნახშირბადის- პერიოდული ცხრილის მეექვსე ელემენტი. აღნიშვნა - C ლათინური "carboneum". მეორე პერიოდში განლაგებულია IVA ჯგუფი. ეხება არალითონებს. ბირთვული მუხტი არის 6.
ნახშირბადი ბუნებაში გვხვდება როგორც თავისუფალ მდგომარეობაში, ასევე მრავალი ნაერთების სახით. თავისუფალი ნახშირბადი გვხვდება ალმასის და გრაფიტის სახით. წიაღისეული ნახშირის გარდა, დედამიწის ნაწლავებში არის ნავთობის დიდი დაგროვება. დიდი რაოდენობით ნახშირმჟავას მარილები, განსაკუთრებით კალციუმის კარბონატი, გვხვდება დედამიწის ქერქში. ჰაერში ყოველთვის არის ნახშირორჟანგი. დაბოლოს, მცენარეული და ცხოველური ორგანიზმები შედგება ნივთიერებებისაგან, რომელთა ფორმირებაში მონაწილეობს ნახშირბადი. ამრიგად, ეს ელემენტი ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებულია დედამიწაზე, თუმცა მისი მთლიანი შემცველობა დედამიწის ქერქში არის მხოლოდ დაახლოებით 0,1% (წონა).
ნახშირბადის ატომური და მოლეკულური წონა
ნივთიერების ფარდობითი მოლეკულური წონა (M r) არის რიცხვი, რომელიც გვიჩვენებს, რამდენჯერ მეტია მოცემული მოლეკულის მასა ნახშირბადის ატომის მასის 1/12-ზე და ელემენტის ფარდობითი ატომური მასა (Ar r) არის რამდენჯერ მეტია ქიმიური ელემენტის ატომების საშუალო მასა ნახშირბადის ატომის მასის 1/12-ზე მეტი.
ვინაიდან თავისუფალ მდგომარეობაში ნახშირბადი არსებობს C მოლეკულების ერთატომის სახით, მისი ატომური და მოლეკულური მასების მნიშვნელობები იგივეა. ისინი უდრის 12.0064-ს.
ნახშირბადის ალოტროპია და ალოტროპული მოდიფიკაციები
თავისუფალ მდგომარეობაში ნახშირბადი არსებობს ალმასის სახით, რომელიც კრისტალიზდება კუბურ და ექვსკუთხა (ლონსდალეიტი) სისტემებში და გრაფიტი, რომელიც მიეკუთვნება ექვსკუთხა სისტემას (ნახ. 1). ნახშირბადის ფორმებს, როგორიცაა ნახშირი, კოქსი ან ჭვარტლი, აქვთ მოუწესრიგებელი სტრუქტურა. ასევე არსებობს სინთეზურად მიღებული ალოტროპული მოდიფიკაციები - ეს არის კარაბინის და პოლიკუმულენური - ნახშირბადის ჯიშები, რომლებიც აგებულია -C=C- ან =C=C= ტიპის ხაზოვანი ჯაჭვის პოლიმერებისგან.
ბრინჯი. 1. ნახშირბადის ალოტროპული მოდიფიკაციები.
ცნობილია აგრეთვე ნახშირბადის ალოტროპული მოდიფიკაციები, რომლებსაც აქვთ შემდეგი სახელები: გრაფენი, ფულერენი, ნანომილები, ნანობოჭკოები, ასტრალენი, მინის ნახშირბადი, კოლოსალური ნანომილები; ამორფული ნახშირბადი, ნახშირბადის ნანოკვირტები და ნახშირბადის ნანოქაფი.
ნახშირბადის იზოტოპები
ბუნებაში ნახშირბადი არსებობს ორი სტაბილური იზოტოპის სახით 12 C (98,98%) და 13 C (1,07%). მათი მასობრივი რიცხვი არის 12 და 13, შესაბამისად. 12 C ნახშირბადის იზოტოპის ბირთვი შეიცავს ექვს პროტონს და ექვს ნეიტრონს, ხოლო 13 C იზოტოპი შეიცავს იმავე რაოდენობის პროტონს და ხუთ ნეიტრონს.
არსებობს ერთი ხელოვნური (რადიოაქტიური) ნახშირბადის იზოტოპი, 14 C, ნახევარგამოყოფის პერიოდით 5730 წელი.
ნახშირბადის იონები
ნახშირბადის ატომის გარე ენერგეტიკულ დონეზე არის ოთხი ვალენტური ელექტრონი:
1s 2 2s 2 2p 2 .
ქიმიური ურთიერთქმედების შედეგად ნახშირბადმა შეიძლება დაკარგოს ვალენტური ელექტრონები, ე.ი. იყოს მათი დონორი და გადაიქცეს დადებითად დამუხტულ იონებად ან მიიღოს ელექტრონები სხვა ატომიდან, ე.ი. იყოს მათი მიმღები და გადაიქცევა უარყოფითად დამუხტულ იონებად:
C 0 -2e → C 2+;
C 0 -4e → C 4+;
C 0 +4e → C 4-.
მოლეკულა და ნახშირბადის ატომი
თავისუფალ მდგომარეობაში ნახშირბადი არსებობს ერთატომური C მოლეკულების სახით. აქ მოცემულია რამდენიმე თვისება, რომელიც ახასიათებს ნახშირბადის ატომს და მოლეკულას:
ნახშირბადის შენადნობები
მსოფლიოში ყველაზე ცნობილი ნახშირბადის შენადნობები არის ფოლადი და თუჯი. ფოლადი არის რკინისა და ნახშირბადის შენადნობი, რომლის ნახშირბადის შემცველობა არ აღემატება 2%-ს. თუჯში (ასევე რკინის შენადნობი ნახშირბადთან ერთად) ნახშირბადის შემცველობა უფრო მაღალია - 2-დან 4%-მდე.
პრობლემის გადაჭრის მაგალითები
მაგალითი 1
| ვარჯიში | რა მოცულობის ნახშირბადის მონოქსიდი (IV) გამოიყოფა (n.o.) 0,1 მასობრივი მინარევების შემცველი 500 გრ კირქვის გამოწვისას. |
| გადაწყვეტილება | ჩვენ ვწერთ კირქვის გამოწვის რეაქციის განტოლებას: CaCO 3 \u003d CaO + CO 2 -. ვიპოვოთ სუფთა კირქვის მასა. ამისათვის ჩვენ ჯერ ვადგენთ მის მასურ ნაწილს მინარევების გარეშე: w გამჭვირვალე (CaCO 3) \u003d 1 - w მინარევები \u003d 1 - 0.1 \u003d 0.9. m სუფთა (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) × w წმინდა (CaCO 3); მ სუფთა (CaCO 3) \u003d 500 × 0.9 \u003d 450 გ. გამოთვალეთ კირქვის ნივთიერების რაოდენობა: n (CaCO 3) \u003d m გამჭვირვალე (CaCO 3) / M (CaCO 3); n(CaCO 3) \u003d 450/100 \u003d 4,5 მოლი. რეაქციის განტოლების მიხედვით n (CaCO 3) : n (CO 2) = 1: 1, მაშინ n (CaCO 3) \u003d n (CO 2) \u003d 4,5 მოლი. მაშინ გამოთავისუფლებული ნახშირბადის მონოქსიდის (IV) მოცულობა ტოლი იქნება: V(CO 2) \u003d n(CO 2) × V მ; V (CO 2) \u003d 4.5 × 22.4 \u003d 100.8 ლიტრი. |
| უპასუხე | 100,8 ლ |
მაგალითი 2
| ვარჯიში | რამდენი იქნება ხსნარი, რომელიც შეიცავს 0,05 მასის ფრაქციებს, ანუ 5% წყალბადის ქლორიდს, 11,2 გ კალციუმის კარბონატის გასანეიტრალებლად? |
| გადაწყვეტილება | ჩვენ ვწერთ განტოლებას კალციუმის კარბონატის ნეიტრალიზაციისთვის წყალბადის ქლორიდით: CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. იპოვეთ კალციუმის კარბონატული ნივთიერების რაოდენობა: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) \u003d 40 + 12 + 3 × 16 \u003d 52 + 48 \u003d 100 გ / მოლ. n (CaCO 3) \u003d m (CaCO 3) / M (CaCO 3); n (CaCO 3) \u003d 11.2 / 100 \u003d 0.112 მოლი. რეაქციის განტოლების მიხედვით n (CaCO 3) : n (HCl) \u003d 1: 2, რაც ნიშნავს n(HCl) \u003d 2 × n (CaCO 3) \u003d 2 × 0.224 მოლი. განსაზღვრეთ წყალბადის ქლორიდის ნივთიერების მასა, რომელიც შეიცავს ხსნარში: M(HCl) \u003d A r (H) + A r (Cl) \u003d 1 + 35.5 \u003d 36.5 გ / მოლ. m(HCl) = n(HCl) × M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 გ გამოთვალეთ წყალბადის ქლორიდის ხსნარის მასა: მ ხსნარი (HCl) = m(HCl) × 100 / w (HCl); მ ხსნარი (HCl) = 8,176 × 100 / 5 = 163,52 გ |
| უპასუხე | 163,52 გ |
ნახშირბადი (ლათინურიდან: carbo "coal") არის ქიმიური ელემენტი C სიმბოლოთი და ატომური ნომრით 6. ოთხი ელექტრონი ხელმისაწვდომია კოვალენტური ქიმიური ბმის შესაქმნელად. ნივთიერება არის არამეტალური და ოთხვალენტიანი. ნახშირბადის სამი იზოტოპი გვხვდება ბუნებრივად, 12C და 13C სტაბილურია, ხოლო 14C არის დაშლის რადიოაქტიური იზოტოპი, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 5730 წელია. ნახშირბადი ერთ-ერთია იმ რამდენიმე ელემენტიდან, რომელიც ცნობილია ანტიკურ დროიდან. ნახშირბადი მე-15 ყველაზე უხვი ელემენტია დედამიწის ქერქში და მეოთხე ყველაზე უხვი ელემენტი სამყაროში მასის მიხედვით წყალბადის, ჰელიუმის და ჟანგბადის შემდეგ. ნახშირბადის სიმრავლე, მისი ორგანული ნაერთების უნიკალური მრავალფეროვნება და დედამიწაზე გავრცელებული ტემპერატურაზე პოლიმერების წარმოქმნის უჩვეულო უნარი საშუალებას აძლევს ამ ელემენტს იყოს საერთო ელემენტი სიცოცხლის ყველა ცნობილი ფორმისთვის. ის არის მეორე ყველაზე უხვი ელემენტი ადამიანის ორგანიზმში მასით (დაახლოებით 18,5%) ჟანგბადის შემდეგ. ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ სხვადასხვა გზით დაკავშირება, ხოლო ნახშირბადის ალოტროპებს უწოდებენ. ყველაზე ცნობილი ალოტროპებია გრაფიტი, ბრილიანტი და ამორფული ნახშირბადი. ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება ალოტროპული ფორმის მიხედვით. მაგალითად, გრაფიტი არის გაუმჭვირვალე და შავი, ხოლო ბრილიანტი ძალიან გამჭვირვალეა. გრაფიტი საკმარისად რბილია ქაღალდზე ზოლის შესაქმნელად (აქედან გამომდინარე, მისი სახელწოდება ბერძნული ზმნიდან "γράφειν" ნიშნავს "წერას"), ხოლო ბრილიანტი ბუნებაში ცნობილი ყველაზე მყარი მასალაა. გრაფიტი კარგი ელექტრული გამტარია, ხოლო ალმასს აქვს დაბალი ელექტრული გამტარობა. ნორმალურ პირობებში ალმასს, ნახშირბადის ნანომილებსა და გრაფენს აქვთ ყველაზე მაღალი თერმული კონდუქტომეტრი, ვიდრე ყველა ცნობილ მასალას. ნახშირბადის ყველა ალოტროპი ნორმალურ პირობებში მყარია, გრაფიტი კი ყველაზე თერმოდინამიკურად სტაბილური ფორმაა. ისინი ქიმიურად მდგრადია და საჭიროებენ მაღალ ტემპერატურას ჟანგბადთანაც კი რეაგირებისთვის. არაორგანულ ნაერთებში ნახშირბადის ყველაზე გავრცელებული ჟანგვის მდგომარეობაა +4, ხოლო +2 ნახშირბადის მონოქსიდის და გარდამავალი ლითონის კარბოქსილის კომპლექსებში. არაორგანული ნახშირბადის ყველაზე დიდი წყაროა კირქვები, დოლომიტები და ნახშირორჟანგი, მაგრამ მნიშვნელოვანი რაოდენობა მოდის ნახშირის, ტორფის, ნავთობისა და მეთანის კლატრატების ორგანული საბადოებიდან. ნახშირბადი ქმნის ნაერთების უზარმაზარ რაოდენობას, უფრო მეტს, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ელემენტი, დღემდე აღწერილია თითქმის ათი მილიონი ნაერთი, მაგრამ ეს რიცხვი მხოლოდ იმ რიცხვის ნაწილია, რაც თეორიულად შესაძლებელია სტანდარტულ პირობებში. ამ მიზეზით, ნახშირბადს ხშირად მოიხსენიებენ, როგორც "ელემენტების მეფეს".
მახასიათებლები
ნახშირბადის ალოტროპები მოიცავს გრაფიტს, ერთ-ერთ ყველაზე რბილ ნივთიერებას და ალმასს, უმძიმეს ბუნებრივ ნივთიერებას. ნახშირბადი ადვილად უერთდება სხვა მცირე ატომებს, მათ შორის ნახშირბადის სხვა ატომებს და შეუძლია შექმნას მრავალი სტაბილური კოვალენტური ბმა შესაფერისი მრავალვალენტიანი ატომებით. ცნობილია, რომ ნახშირბადი წარმოქმნის თითქმის ათი მილიონ სხვადასხვა ნაერთს, ყველა ქიმიური ნაერთის აბსოლუტურ უმრავლესობას. ნახშირბადს ასევე აქვს სუბლიმაციის უმაღლესი წერტილი ნებისმიერი ელემენტისგან. ატმოსფერული წნევის დროს მას არ აქვს დნობის წერტილი, რადგან მისი სამმაგი წერტილი არის 10,8 ± 0,2 MPa და 4600 ± 300 K (~ 4330 °C ან 7820 °F), ამიტომ სუბლიმირებულია დაახლოებით 3900 K ტემპერატურაზე. გრაფიტი ბევრად უფრო რეაქტიულია, ვიდრე ალმასის ქვეშ. სტანდარტული პირობები, მიუხედავად იმისა, რომ უფრო თერმოდინამიკურად სტაბილურია, რადგან მისი დელოკალიზებული pi სისტემა ბევრად უფრო დაუცველია თავდასხმის მიმართ. მაგალითად, გრაფიტი შეიძლება დაჟანგდეს ცხელი კონცენტრირებული აზოტის მჟავით სტანდარტულ პირობებში C6(CO2H)6 მელიტის მჟავამდე, რომელიც ინარჩუნებს გრაფიტის ექვსკუთხა ერთეულებს, როდესაც უფრო დიდი სტრუქტურა განადგურებულია. ნახშირბადი სუბლიმირებულია ნახშირბადის რკალში, რომელიც არის დაახლოებით 5800 K (5,530 °C, 9,980 °F). ამრიგად, მიუხედავად მისი ალოტროპული ფორმისა, ნახშირბადი რჩება მყარი უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ვიდრე დნობის უმაღლესი წერტილები, როგორიცაა ვოლფრამი ან რენიუმი. მიუხედავად იმისა, რომ ნახშირბადი თერმოდინამიკურად მიდრეკილია დაჟანგვისკენ, ის უფრო მდგრადია დაჟანგვის მიმართ, ვიდრე ისეთი ელემენტები, როგორიცაა რკინა და სპილენძი, რომლებიც ოთახის ტემპერატურაზე უფრო სუსტი შემცირების აგენტებია. ნახშირბადი არის მეექვსე ელემენტი ძირითადი მდგომარეობის ელექტრონული კონფიგურაციით 1s22s22p2, საიდანაც ოთხი გარე ელექტრონი არის ვალენტური ელექტრონები. მისი პირველი ოთხი იონიზაციის ენერგიაა 1086.5, 2352.6, 4620.5 და 6222.7 კჯ/მოლი, ბევრად აღემატება 14 ჯგუფის უფრო მძიმე ელემენტებს. ნახშირბადის ელექტრონეგატიურობა არის 2.5, რაც მნიშვნელოვნად აღემატება მე-14 ჯგუფის მძიმე ელემენტებს (1.8) მაგრამ ახლოს არის მეზობელ არამეტალების უმეტესობასთან, ასევე მეორე და მესამე რიგის ზოგიერთ გარდამავალ მეტალთან. ნახშირბადის კოვალენტური რადიუსები ჩვეულებრივ აღიქმება როგორც 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C) და 60.3 pm (C≡C), თუმცა ეს შეიძლება განსხვავდებოდეს კოორდინაციის რაოდენობისა და ნახშირბადის ასოცირების მიხედვით. ზოგადად, კოვალენტური რადიუსი მცირდება, როდესაც კოორდინაციის რიცხვი მცირდება და ბმის რიგი იზრდება. ნახშირბადის ნაერთები ქმნიან დედამიწაზე ყველა ცნობილი ცხოვრების ფორმის საფუძველს, ხოლო ნახშირბად-აზოტის ციკლი უზრუნველყოფს მზის და სხვა ვარსკვლავების მიერ გამოთავისუფლებულ ენერგიას. მიუხედავად იმისა, რომ ნახშირბადი ქმნის ნაერთების არაჩვეულებრივ მრავალფეროვნებას, ნახშირბადის ფორმების უმეტესობა შედარებით არარეაქტიულია ნორმალურ პირობებში. სტანდარტულ ტემპერატურასა და წნევაზე ნახშირბადი გაუძლებს ყველა ძლიერ ჟანგვის გარდა. ის არ რეაგირებს გოგირდის მჟავასთან, მარილმჟავასთან, ქლორთან ან ტუტეებთან. ამაღლებულ ტემპერატურაზე ნახშირბადი რეაგირებს ჟანგბადთან და წარმოქმნის ნახშირბადის ოქსიდებს და შლის ჟანგბადს ლითონის ოქსიდებიდან და ტოვებს ელემენტარულ ლითონს. ეს ეგზოთერმული რეაქცია გამოიყენება ფოლადის ინდუსტრიაში რკინის დნობისა და ფოლადის ნახშირბადის შემცველობის გასაკონტროლებლად: 
Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (გ)
გოგირდით ნახშირბადის დისულფიდის წარმოქმნით და ორთქლით ნახშირ-გაზის რეაქციაში:
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
ნახშირბადი ერწყმის ზოგიერთ ლითონს მაღალ ტემპერატურაზე, რათა წარმოქმნას ლითონის კარბიდები, როგორიცაა რკინის კარბიდი ცემენტიტი ფოლადში და ვოლფრამის კარბიდი, რომელიც ფართოდ გამოიყენება როგორც აბრაზიული და საჭრელი ხელსაწყოების მყარი რჩევების დასამზადებლად. ნახშირბადის ალოტროპების სისტემა მოიცავს რამდენიმე უკიდურესობას:
გრაფიტის ზოგიერთი სახეობა გამოიყენება თბოიზოლაციისთვის (როგორიცაა ხანძარსაწინააღმდეგო ბარიერები და სითბოს ფარები), მაგრამ ზოგიერთი სხვა ფორმა კარგი თბოგამტარია. ალმასი არის ყველაზე ცნობილი ბუნებრივი თბოგამტარი. გრაფიტი გაუმჭვირვალეა. ბრილიანტი ძალიან გამჭვირვალეა. გრაფიტი კრისტალიზდება ექვსკუთხა სისტემაში. ალმასი კრისტალიზდება კუბურ სისტემაში. ამორფული ნახშირბადი მთლიანად იზოტროპულია. ნახშირბადის ნანომილები ყველაზე ცნობილი ანიზოტროპული მასალებია.
ნახშირბადის ალოტროპები
ატომური ნახშირბადი ძალიან ხანმოკლე სახეობაა და ამიტომ ნახშირბადი სტაბილიზირებულია სხვადასხვა პოლიატომურ სტრუქტურაში სხვადასხვა მოლეკულური კონფიგურაციით, რომელსაც ალოტროპები ეწოდება. ნახშირბადის სამი შედარებით ცნობილი ალოტროპია ამორფული ნახშირბადი, გრაფიტი და ბრილიანტი. ადრე ეგზოტიკურად მიჩნეული ფულერენები ახლა საყოველთაოდ სინთეზირებულია და გამოიყენება კვლევებში; მათ შორისაა ბუკიბურები, ნახშირბადის ნანომილები, ნახშირბადის ნანოდოტები და ნანობოჭკოები. ასევე აღმოაჩინეს რამდენიმე სხვა ეგზოტიკური ალოტროპი, როგორიცაა ლონსალეტიტი, მინის ნახშირბადი, ნახშირბადის ნანოფაუმი და ხაზოვანი აცეტილენური ნახშირბადი (კარბინი). 2009 წლის მონაცემებით, გრაფენი ითვლება ყველაზე ძლიერ მასალად, რომელიც ოდესმე გამოსცადეს. მისი გრაფიტისგან გამოყოფის პროცესი საჭიროებს შემდგომ ტექნოლოგიურ განვითარებას, სანამ ის ეკონომიური გახდება სამრეწველო პროცესებისთვის. წარმატების შემთხვევაში, გრაფენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმოსური ლიფტების ასაგებად. ის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყალბადის უსაფრთხოდ შესანახად მანქანებში წყალბადზე დაფუძნებულ მანქანებში გამოსაყენებლად. ამორფული ფორმა არის ნახშირბადის ატომების ერთობლიობა არაკრისტალურ, არარეგულარულ, მინის მდგომარეობაში და არ შეიცავს კრისტალურ მაკროსტრუქტურას. ის წარმოდგენილია ფხვნილის სახით და წარმოადგენს ისეთი ნივთიერებების ძირითად კომპონენტს, როგორიცაა ნახშირი, ნათურის ჭვარტლი (ჭვარტლი) და გააქტიურებული ნახშირბადი. ნორმალური წნევის დროს ნახშირბადს აქვს გრაფიტის ფორმა, რომელშიც თითოეული ატომი ტრიგონალურად არის დაკავშირებული სამი სხვა ატომით შერწყმული ექვსკუთხა რგოლებისგან შემდგარ სიბრტყეში, როგორც არომატულ ნახშირწყალბადებში. შედეგად მიღებული ქსელი ორგანზომილებიანია და შედეგად ბრტყელი ფურცლები იკეცება და თავისუფლად არის დაკავშირებული სუსტი ვან დერ ვაალის ძალების მეშვეობით. ეს აძლევს გრაფიტს რბილობას და გაყოფის თვისებებს (ფურცლები ადვილად სრიალებს ერთმანეთზე). თითოეული ატომის ერთ-ერთი გარე ელექტრონის დელოკალიზაციის გამო, რათა შეიქმნას π ღრუბელი, გრაფიტი ატარებს ელექტროენერგიას, მაგრამ მხოლოდ თითოეული კოვალენტურად შეკრული ფურცლის სიბრტყეში. ეს იწვევს ნახშირბადის უფრო დაბალ ელექტროგამტარობას, ვიდრე მეტალების უმეტესობას. დელოკალიზაცია ასევე ხსნის გრაფიტის ენერგეტიკულ სტაბილურობას ალმასზე ოთახის ტემპერატურაზე. ძალიან მაღალი წნევის დროს ნახშირბადი აყალიბებს უფრო კომპაქტურ ალოტროპს, ბრილიანტს, რომელსაც თითქმის ორჯერ აღემატება გრაფიტის სიმკვრივე. აქ თითოეული ატომი ტეტრაედრულად არის დაკავშირებული ოთხ სხვასთან, რაც ქმნის ატომების დანაოჭებული ექვსწევრიანი რგოლების სამგანზომილებიან ქსელს. ალმასს აქვს იგივე კუბური სტრუქტურა, როგორც სილიციუმი და გერმანიუმი, და ნახშირბად-ნახშირბადის ობლიგაციების სიძლიერის გამო, ის არის უმძიმესი ბუნებრივი ნივთიერება, რომელიც იზომება ნაკაწრების წინააღმდეგობით. პოპულარული რწმენის საწინააღმდეგოდ, რომ „ბრილიანტები სამუდამოდ არიან“, ისინი ნორმალურ პირობებში თერმოდინამიკურად არასტაბილურია და გადაიქცევა გრაფიტად. მაღალი ენერგიის გააქტიურების ბარიერის გამო გრაფიტის ფორმაზე გადასვლა ნორმალურ ტემპერატურაზე იმდენად ნელია, რომ შესამჩნევი არ არის. გარკვეულ პირობებში, ნახშირბადი კრისტალიზდება, როგორც ლონსალიტი, ექვსკუთხა კრისტალური ბადე, ყველა ატომით კოვალენტურად შეკრული და ალმასის მსგავსი თვისებებით. ფულერენი არის სინთეზური კრისტალური წარმონაქმნი გრაფიტის მსგავსი სტრუქტურით, მაგრამ ექვსკუთხედის ნაცვლად, ფულერენი შედგება ნახშირბადის ატომების ხუთკუთხედებისგან (ან თუნდაც შვიდკუთხედებისგან). დაკარგული (ან ზედმეტი) ატომები ფურცლებს აფორმებს სფეროებად, ელიფსებად ან ცილინდრებად. ფულერენების თვისებები (დაყოფილი ბაკიბოლებად, ბუკიტუბებად და ნანობადებად) ჯერ არ არის ბოლომდე გაანალიზებული და წარმოადგენს ნანომასალების კვლევის ინტენსიურ არეალს. სახელები "fullerene" და "buckyball" დაკავშირებულია რიჩარდ ბაკმინსტერ ფულერის სახელთან, რომელმაც პოპულარიზაცია მოახდინა გეოდეზიური გუმბათები, რომლებიც წააგავს ფულერენების სტრუქტურას. ბუკიბოლები საკმაოდ დიდი მოლეკულებია, რომლებიც წარმოიქმნება მთლიანად ნახშირბადის ობლიგაციებისგან ტრიგონალურად, რომლებიც ქმნიან სფეროიდებს (ყველაზე ცნობილი და მარტივი არის C60 baksinisterfellerene ფეხბურთის ბურთის ფორმის). ნახშირბადის ნანომილები სტრუქტურულად ჰგავს ბუკიბურთებს, გარდა იმისა, რომ თითოეული ატომი ტრიგონალურად არის შეკრული მრუდე ფურცელში, რომელიც ქმნის ღრუ ცილინდრს. ნანობადები პირველად შემოიღეს 2007 წელს და წარმოადგენენ ჰიბრიდულ მასალებს (ბუკის ბურთულები კოვალენტურად არის მიბმული ნანომილის გარე კედელთან), რომლებიც აერთიანებს ორივეს თვისებებს ერთ სტრუქტურაში. სხვა აღმოჩენილი ალოტროპებიდან ნახშირბადის ნანოქაფი არის ფერომაგნიტური ალოტროპი, რომელიც აღმოაჩინეს 1997 წელს. იგი შედგება დაბალი სიმკვრივის ნახშირბადის ატომების ჯგუფური ერთობლიობისგან, რომლებიც ერთად არიან მიბმული ფხვიერ სამგანზომილებიან ქსელში, რომელშიც ატომები ტრიგონალურად არის დაკავშირებული ექვს და შვიდწევრიან რგოლებში. ის ერთ-ერთი ყველაზე მსუბუქი მყარია, რომლის სიმკვრივეა დაახლოებით 2 კგ/მ3. ანალოგიურად, მინის ნახშირბადი შეიცავს დახურულ ფორიანობის დიდ ნაწილს, მაგრამ ჩვეულებრივი გრაფიტისგან განსხვავებით, გრაფიტის ფენები არ არის დალაგებული, როგორც წიგნის გვერდები, არამედ უფრო შემთხვევით არის მოწყობილი. ხაზოვან აცეტილენურ ნახშირბადს აქვს ქიმიური სტრუქტურა - (C:::C) n-. ნახშირბადი ამ მოდიფიკაციაში არის წრფივი sp ორბიტალური ჰიბრიდიზაციით და არის პოლიმერი მონაცვლეობით ერთჯერადი და სამმაგი ბმებით. ეს კარაბინი მნიშვნელოვანი ინტერესია ნანოტექნოლოგიისთვის, რადგან მისი იანგის მოდული ორმოცჯერ აღემატება უმძიმესი მასალის, ალმასის მოდულს. 2015 წელს, ჩრდილოეთ კაროლინას უნივერსიტეტის ჯგუფმა გამოაცხადა კიდევ ერთი ალოტროპის შექმნა, რომელსაც მათ უწოდეს Q-carbon, შექმნილი დაბალი ხანგრძლივობის, მაღალი ენერგიის ლაზერული პულსით ამორფულ ნახშირბადის მტვერზე. ცნობილია, რომ Q-ნახშირბადი ავლენს ფერომაგნიტურობას, ფლუორესცენციას და აქვს ბრილიანტზე მაღალი სიხისტე.
გავრცელება
ნახშირბადი არის მეოთხე ყველაზე უხვი ქიმიური ელემენტი სამყაროში მასის მიხედვით წყალბადის, ჰელიუმის და ჟანგბადის შემდეგ. ნახშირბადი უხვად არის მზეში, ვარსკვლავებში, კომეტებში და პლანეტების უმეტესობის ატმოსფეროში. ზოგიერთი მეტეორიტი შეიცავს მიკროსკოპულ ბრილიანტებს, რომლებიც წარმოიქმნა მაშინ, როდესაც მზის სისტემა ჯერ კიდევ პროტოპლანეტარული დისკი იყო. მიკროსკოპული ბრილიანტები ასევე შეიძლება წარმოიქმნას ინტენსიური წნევისა და მაღალი ტემპერატურის პირობებში მეტეორიტის შეჯახების ადგილებში. 2014 წელს NASA-მ გამოაცხადა განახლებული მონაცემთა ბაზა სამყაროში პოლიციკლური არომატული ნახშირწყალბადების (PAHs) თვალყურის დევნებისთვის. სამყაროში ნახშირბადის 20%-ზე მეტი შეიძლება ასოცირებული იყოს PAH-ებთან, ნახშირბადისა და წყალბადის რთულ ნაერთებთან ჟანგბადის გარეშე. ეს ნაერთები ჩნდება მსოფლიო PAH ჰიპოთეზაში, სადაც ისინი სავარაუდოდ თამაშობენ როლს აბიოგენეზსა და სიცოცხლის ფორმირებაში. როგორც ჩანს, PAH-ები ჩამოყალიბდა "რამდენიმე მილიარდი წლის განმავლობაში" დიდი აფეთქების შემდეგ, გავრცელებულია სამყაროში და ასოცირდება ახალ ვარსკვლავებთან და ეგზოპლანეტებთან. დედამიწის მყარი გარსი, სავარაუდოდ, შეიცავს 730 ppm ნახშირბადს, 2000 ppm ბირთვში და 120 ppm მანტიასა და ქერქში. ვინაიდან დედამიწის მასა არის 5.9 x 72 x 1024 კგ, ეს ნიშნავს 4360 მილიონი გიგატონა ნახშირბადს. ეს ბევრად მეტია, ვიდრე ნახშირბადის რაოდენობა ოკეანეებში ან ატმოსფეროში (ქვემოთ). ნახშირორჟანგში ჟანგბადთან ერთად ნახშირბადი გვხვდება დედამიწის ატმოსფეროში (დაახლოებით 810 გიგატონა ნახშირბადი) და იხსნება წყლის ყველა სხეულში (დაახლოებით 36000 გიგატონა ნახშირბადი). ბიოსფეროში დაახლოებით 1900 გიგატონა ნახშირბადია. ნახშირწყალბადები (როგორიცაა ქვანახშირი, ნავთობი და ბუნებრივი აირი) ასევე შეიცავს ნახშირბადს. ქვანახშირის "რეზერვები" (და არა "რესურსები") არის დაახლოებით 900 გიგატონა, ალბათ 18000 გტ რესურსით. ნავთობის მარაგი დაახლოებით 150 გიგატონაა. ბუნებრივი აირის დადასტურებული წყაროებია დაახლოებით 175,1012 კუბური მეტრი (შეიცავს დაახლოებით 105 გიგატონა ნახშირბადს), თუმცა კვლევები აფასებენ კიდევ 900,1012 კუბურ მეტრ „არატრადიციულ“ საბადოებს, როგორიცაა ფიქლის გაზი, რაც დაახლოებით 540 გიგატონა ნახშირბადს შეადგენს. ნახშირბადი ასევე ნაპოვნია მეთანის ჰიდრატებში პოლარულ რეგიონებში და ზღვების ქვეშ. სხვადასხვა შეფასებით, ამ ნახშირბადის რაოდენობაა 500, 2500 გტ ან 3000 გტ. წარსულში ნახშირწყალბადების რაოდენობა უფრო დიდი იყო. ერთ-ერთი წყაროს თანახმად, 1751-დან 2008 წლამდე, დაახლოებით 347 გიგატონა ნახშირბადი გამოიყოფა ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის სახით წიაღისეული საწვავის წვის შედეგად. სხვა წყარო დასძენს, რომ ატმოსფეროში დამატებული რაოდენობა 1750-დან 879 გტ-მდეა, ხოლო ატმოსფეროში, ზღვასა და ხმელეთზე (როგორიცაა ტორფის ჭაობები) მთლიანი რაოდენობა არის თითქმის 2000 გტ. ნახშირბადი არის კარბონატული ქანების ძალიან დიდი მასების (კირქვა, დოლომიტი, მარმარილო და ა.შ.) კომპონენტი (მასით 12%). ქვანახშირი შეიცავს ნახშირბადის ძალიან დიდ რაოდენობას (ანტრაციტი შეიცავს 92-98% ნახშირბადს) და არის მინერალური ნახშირბადის უდიდესი კომერციული წყარო, რომელიც შეადგენს 4000 გიგატონს ან წიაღისეული საწვავის 80%-ს. ინდივიდუალური ნახშირბადის ალოტროპების თვალსაზრისით, გრაფიტი დიდი რაოდენობით გვხვდება შეერთებულ შტატებში (ძირითადად ნიუ-იორკში და ტეხასში), რუსეთში, მექსიკაში, გრენლანდიასა და ინდოეთში. ბუნებრივი ბრილიანტები გვხვდება კლდოვან კიმბერლიტში, რომელიც შეიცავს ძველ ვულკანურ "კისრებში" ან "მილებს". ალმასის საბადოების უმეტესობა გვხვდება აფრიკაში, განსაკუთრებით სამხრეთ აფრიკაში, ნამიბიაში, ბოტსვანაში, კონგოს რესპუბლიკასა და სიერა ლეონეში. ალმასის საბადოები ასევე ნაპოვნია არკანზასში, კანადაში, რუსეთის არქტიკაში, ბრაზილიაში და ჩრდილოეთ და დასავლეთ ავსტრალიაში. ახლა ბრილიანტები ასევე ამოღებულია ოკეანის ფსკერიდან კარგი იმედის კონცხზე. ბრილიანტები ბუნებრივად გვხვდება, მაგრამ აშშ-ში გამოყენებული ყველა სამრეწველო ბრილიანტის დაახლოებით 30% ახლა იწარმოება. ნახშირბადი-14 წარმოიქმნება ზედა ტროპოსფეროსა და სტრატოსფეროში 9-15 კმ სიმაღლეზე რეაქციაში, რომელიც დეპონირდება კოსმოსური სხივებით. წარმოიქმნება თერმული ნეიტრონები, რომლებიც ეჯახება აზოტ-14 ბირთვებს და წარმოქმნიან ნახშირბად-14-ს და პროტონს. ამრიგად, ატმოსფერული ნახშირორჟანგის 1,2 × 1010% შეიცავს ნახშირბად-14-ს. ნახშირბადით მდიდარი ასტეროიდები შედარებით დომინანტურია ჩვენი მზის სისტემის ასტეროიდების სარტყლის გარე ნაწილებში. ეს ასტეროიდები ჯერ არ არის უშუალოდ გამოკვლეული მეცნიერების მიერ. ასტეროიდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჰიპოთეტურ კოსმოსურ ქვანახშირის მოპოვებაში, რაც შეიძლება მომავალში იყოს შესაძლებელი, მაგრამ ამჟამად ტექნოლოგიურად შეუძლებელია.
ნახშირბადის იზოტოპები
ნახშირბადის იზოტოპები არის ატომური ბირთვები, რომლებიც შეიცავს ექვს პროტონს პლუს ნეიტრონების რაოდენობას (2-დან 16-მდე). ნახშირბადს აქვს ორი სტაბილური ბუნებრივი იზოტოპი. იზოტოპი ნახშირბად-12 (12C) ქმნის დედამიწაზე ნახშირბადის 98,93%-ს, ხოლო ნახშირბად-13 (13C) დარჩენილ 1,07%-ს. 12C-ის კონცენტრაცია კიდევ უფრო იზრდება ბიოლოგიურ მასალებში, რადგან ბიოქიმიური რეაქციები განასხვავებს 13C-ს. 1961 წელს სუფთა და გამოყენებითი ქიმიის საერთაშორისო კავშირმა (IUPAC) მიიღო იზოტოპური ნახშირბად-12, როგორც ატომური წონის საფუძველი. ნახშირბადის იდენტიფიცირება ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის ექსპერიმენტებში (NMR) ხორციელდება 13C იზოტოპით. Carbon-14 (14C) არის ბუნებრივი რადიოიზოტოპი, რომელიც შექმნილია ატმოსფეროს ზედა ნაწილში (ქვედა სტრატოსფერო და ზედა ტროპოსფერო) აზოტის კოსმოსურ სხივებთან ურთიერთქმედებით. იგი გვხვდება დედამიწაზე კვალი რაოდენობით 1 ნაწილი ტრილიონზე (0.0000000001%), ძირითადად ატმოსფეროში და ზედაპირულ ნალექებში, განსაკუთრებით ტორფსა და სხვა ორგანულ მასალებში. ეს იზოტოპი იშლება 0,158 MeV β-ემისიის დროს. შედარებით მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდის გამო 5730 წელი, 14C პრაქტიკულად არ არის უძველესი კლდეებიდან. ატმოსფეროში და ცოცხალ ორგანიზმებში 14C-ის რაოდენობა თითქმის მუდმივია, მაგრამ მცირდება ორგანიზმებში სიკვდილის შემდეგ. ეს პრინციპი გამოიყენება 1949 წელს გამოგონილი რადიოკარბონული დათარიღების დროს, რომელიც ფართოდ გამოიყენებოდა ნახშირბადის მასალების დასაძველებლად 40000 წლამდე. ცნობილია ნახშირბადის 15 იზოტოპი და მათგან ყველაზე მოკლე სიცოცხლეა 8C, რომელიც იშლება პროტონის ემისიის და ალფა დაშლის შედეგად და აქვს ნახევარგამოყოფის პერიოდი 1,98739 × 10-21 წმ. Exotic 19C-ს აქვს ბირთვული ჰალო, რაც იმას ნიშნავს, რომ მისი რადიუსი მნიშვნელოვნად აღემატება იმას, რაც მოსალოდნელი იქნებოდა, ბირთვი რომ ყოფილიყო მუდმივი სიმკვრივის სფერო.
განათლება ვარსკვლავებში
ატომური ნახშირბადის ბირთვის ფორმირება მოითხოვს ალფა ნაწილაკების (ჰელიუმის ბირთვების) თითქმის ერთდროულ სამჯერ შეჯახებას გიგანტური ან სუპერგიგანტური ვარსკვლავის ბირთვში, რომელიც ცნობილია როგორც სამმაგი ალფა პროცესი, ვინაიდან ჰელიუმის შემდგომი ბირთვული შერწყმის რეაქციების პროდუქტები. წყალბადი ან ჰელიუმის სხვა ბირთვი წარმოქმნის შესაბამისად ლითიუმ-5 და ბერილიუმ -8-ს, ორივე ძალიან არასტაბილურია და თითქმის მყისიერად იშლება პატარა ბირთვებად. ეს ხდება 100 მეგაკალვინისა და ჰელიუმის კონცენტრაციაზე ზევით ტემპერატურაზე, რაც მიუღებელია ადრეული სამყაროს სწრაფი გაფართოებისა და გაგრილების პირობებში და, შესაბამისად, დიდი აფეთქების დროს ნახშირბადის მნიშვნელოვანი რაოდენობა არ შეიქმნა. ფიზიკური კოსმოლოგიის თანამედროვე თეორიის თანახმად, ნახშირბადი წარმოიქმნება ვარსკვლავების შიგნით ჰორიზონტალურ ტოტში სამი ჰელიუმის ბირთვის შეჯახებისა და ტრანსფორმაციის შედეგად. როდესაც ეს ვარსკვლავები კვდებიან სუპერნოვაში, ნახშირბადი კოსმოსში მტვრის სახით იფანტება. ეს მტვერი ხდება შემადგენელი მასალა მეორე ან მესამე თაობის ვარსკვლავური სისტემების ფორმირებისთვის აკრეტული პლანეტებით. მზის სისტემა ერთ-ერთი ასეთი ვარსკვლავური სისტემაა ნახშირბადის სიმრავლით, რაც საშუალებას აძლევს არსებობას, როგორც ჩვენ ვიცით. CNO ციკლი არის დამატებითი შერწყმის მექანიზმი, რომელიც მართავს ვარსკვლავებს, სადაც ნახშირბადი მოქმედებს როგორც კატალიზატორი. ნახშირბადის მონოქსიდის სხვადასხვა იზოტოპური ფორმების ბრუნვითი გადასვლები (მაგალითად, 12CO, 13CO და 18CO) აღმოჩენილია ტალღის სიგრძის ქვემილიმეტრებში და გამოიყენება მოლეკულურ ღრუბლებში ახლად წარმოქმნილი ვარსკვლავების შესასწავლად.
ნახშირბადის ციკლი
ხმელეთის პირობებში ერთი ელემენტის მეორეზე გადაქცევა ძალზე იშვიათი მოვლენაა. ამრიგად, დედამიწაზე ნახშირბადის რაოდენობა ფაქტობრივად მუდმივია. ამრიგად, პროცესებში, რომლებიც იყენებენ ნახშირბადს, ის სადღაც უნდა იქნას მიღებული და სხვაგან განადგურდეს. ნახშირბადის გზები გარემოში ქმნიან ნახშირბადის ციკლს. მაგალითად, ფოტოსინთეზური მცენარეები ამოიღებენ ნახშირორჟანგს ატმოსფეროდან (ან ზღვის წყლიდან) და ქმნიან მას ბიომასად, როგორც კალვინის ციკლში, ნახშირბადის ფიქსაციის პროცესში. ამ ბიომასის ნაწილს ცხოველები ჭამენ, ნახშირბადის ნაწილს კი ცხოველები ამოისუნთქავენ ნახშირორჟანგის სახით. ნახშირბადის ციკლი ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე ეს მოკლე ციკლი; მაგალითად, ნახშირორჟანგის ნაწილი იხსნება ოკეანეებში; თუ ბაქტერიები არ შთანთქავს მას, მკვდარი მცენარეული ან ცხოველური ნივთიერება შეიძლება გახდეს ზეთი ან ქვანახშირი, რომელიც გამოყოფს ნახშირბადს წვის დროს.
ნახშირბადის ნაერთები
ნახშირბადს შეუძლია შექმნას ნახშირბად-ნახშირბადის ობლიგაციების ძალიან გრძელი ჯაჭვები, ეს თვისებაა, რომელსაც ჯაჭვის ფორმირება ეწოდება. ნახშირბად-ნახშირბადის ბმები სტაბილურია. კატანაციის (ჯაჭვების წარმოქმნის) მეშვეობით ნახშირბადი წარმოქმნის ნაერთების უთვალავ რაოდენობას. უნიკალური ნაერთების შეფასებამ აჩვენა, რომ უფრო მეტი მათგანი შეიცავს ნახშირბადს. მსგავსი განცხადება შეიძლება გაკეთდეს წყალბადისთვის, რადგან ორგანული ნაერთების უმეტესობა ასევე შეიცავს წყალბადს. ორგანული მოლეკულის უმარტივესი ფორმაა ნახშირწყალბადი, ორგანული მოლეკულების დიდი ოჯახი, რომელიც შედგება წყალბადის ატომებისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ნახშირბადის ატომების ჯაჭვთან. ჯაჭვის სიგრძე, გვერდითი ჯაჭვები და ფუნქციური ჯგუფები გავლენას ახდენს ორგანული მოლეკულების თვისებებზე. ნახშირბადი გვხვდება ორგანული სიცოცხლის ყველა ფორმაში და არის ორგანული ქიმიის საფუძველი. წყალბადთან შერწყმისას ნახშირბადი წარმოქმნის სხვადასხვა ნახშირწყალბადებს, რომლებიც მნიშვნელოვანია ინდუსტრიისთვის, როგორც მაცივრები, საპოხი მასალები, გამხსნელები, როგორც ქიმიური საკვები ნივთიერებები პლასტმასის და ნავთობპროდუქტების წარმოებისთვის და როგორც წიაღისეული საწვავი. ჟანგბადთან და წყალბადთან შერწყმისას ნახშირბადს შეუძლია შექმნას მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური ნაერთების მრავალი ჯგუფი, მათ შორის შაქარი, ლიგნანები, ქიტინები, ალკოჰოლები, ცხიმები და არომატული ეთერები, კაროტინოიდები და ტერპენები. აზოტით ნახშირბადი აყალიბებს ალკალოიდებს, ხოლო გოგირდის დამატებით წარმოქმნის ანტიბიოტიკებს, ამინომჟავებს და რეზინის პროდუქტებს. ამ სხვა ელემენტებში ფოსფორის დამატებით, ის აყალიბებს დნმ-ს და რნმ-ს, სიცოცხლის ქიმიური კოდის მატარებლებს და ადენოზინტრიფოსფატს (ATP), ყველაზე მნიშვნელოვან ენერგიის გადამტან მოლეკულას ყველა ცოცხალ უჯრედში.
არაორგანული ნაერთები
როგორც წესი, ნახშირბადის შემცველი ნაერთები, რომლებიც დაკავშირებულია მინერალებთან ან რომლებიც არ შეიცავს წყალბადს ან ფტორს, განიხილება კლასიკური ორგანული ნაერთებისგან განცალკევებით; ეს განმარტება არ არის მკაცრი. მათ შორისაა ნახშირბადის მარტივი ოქსიდები. ყველაზე ცნობილი ოქსიდი არის ნახშირორჟანგი (CO2). ოდესღაც ეს მატერია პალეოატმოსფეროს ძირითადი შემადგენელი ნაწილია, დღეს ეს არის დედამიწის ატმოსფეროს უმნიშვნელო შემადგენელი ნაწილი. წყალში გახსნისას ეს ნივთიერება წარმოქმნის ნახშირმჟავას (H2CO3), მაგრამ, როგორც ნაერთების უმეტესობის მსგავსად, ერთ ნახშირბადზე რამდენიმე ერთობლივი ჟანგბადით, ის არასტაბილურია. თუმცა, რეზონანსული სტაბილიზირებული კარბონატული იონები წარმოიქმნება ამ შუალედის მეშვეობით. ზოგიერთი მნიშვნელოვანი მინერალია კარბონატები, განსაკუთრებით კალციტები. ნახშირბადის დისულფიდი (CS2) მსგავსია. კიდევ ერთი გავრცელებული ოქსიდი არის ნახშირბადის მონოქსიდი (CO). იგი წარმოიქმნება არასრული წვის დროს და არის უფერო, უსუნო აირი. თითოეული მოლეკულა შეიცავს სამმაგი ბმას და საკმაოდ პოლარულია, რის შედეგადაც ის მუდმივად აკავშირებს ჰემოგლობინის მოლეკულებს, ანაცვლებს ჟანგბადს, რომელსაც აქვს უფრო დაბალი შეკავშირება. ციანიდს (CN-) აქვს მსგავსი სტრუქტურა, მაგრამ იქცევა ჰალოგენური იონის მსგავსად (ფსევდოჰალოგენი). მაგალითად, მას შეუძლია შექმნას ციანოგენის ნიტრიდის (CN) 2 მოლეკულა დიატომის ჰალოიდების მსგავსი. სხვა უჩვეულო ოქსიდებია ნახშირბადის სუბოქსიდი (C3O2), არასტაბილური ნახშირბადის მონოქსიდი (C2O), ნახშირბადის ტრიოქსიდი (CO3), ციკლოპენტან პეპტონი (C5O5), ციკლოჰექსანჰექსონი (C6O6) და მელიტური ანჰიდრიდი (C12O9). რეაქტიული ლითონებით, როგორიცაა ვოლფრამი, ნახშირბადი აყალიბებს კარბიდებს (C4-) ან აცეტილიდებს (C2-2), რათა წარმოქმნას შენადნობები მაღალი დნობის წერტილებით. ეს ანიონები ასევე დაკავშირებულია მეთანთან და აცეტილენთან, რომლებიც ორივე ძალიან სუსტი მჟავაა. 2.5 ელექტროუარყოფითობისას ნახშირბადს ურჩევნია კოვალენტური ბმების შექმნა. რამდენიმე კარბიდი არის კოვალენტური გისოსები, როგორიცაა კარბორუნდი (SiC), რომელიც წააგავს ალმასს. თუმცა, ყველაზე პოლარული და მარილის მსგავსი კარბიდებიც კი არ არის სრულად იონური ნაერთები.
ორგანომეტალური ნაერთები
ორგანომეტალური ნაერთები, განსაზღვრებით, შეიცავს მინიმუმ ერთ ნახშირბად-ლითონის კავშირს. ასეთი ნაერთების ფართო სპექტრია; ძირითადი კლასები მოიცავს უბრალო ალკილ-ლითონის ნაერთებს (მაგ. ტეტრაეთილის ელიდი), η2-ალკენის ნაერთებს (მაგ. Zeise მარილი) და η3-ალილურ ნაერთებს (მაგ. ალილპალადიუმის ქლორიდის დიმერი); მეტალოცენები, რომლებიც შეიცავს ციკლოპენტადიენილ ლიგანდებს (მაგ. ფეროცენს); და გარდამავალი ლითონების კარბენის კომპლექსები. არსებობს მრავალი ლითონის კარბონილი (მაგალითად, ნიკელის ტეტრაკარბონილი); ზოგიერთი მუშაკი თვლის, რომ ნახშირბადის მონოქსიდის ლიგანდი არის წმინდა არაორგანული და არა ორგანული მეტალის ნაერთი. მიუხედავად იმისა, რომ ნახშირბადი ექსკლუზიურად ოთხ ბმას წარმოქმნის, ცნობილია საინტერესო ნაერთი, რომელიც შეიცავს რვაგანზომილებიან ჰექსაკოორდინატულ ნახშირბადის ატომს. ამ ნაერთის კატიონი არის 2+. ეს ფენომენი აიხსნება ოქროს ლიგანდების აუროფილურობით. 2016 წელს დადასტურდა, რომ ჰექსამეთილბენზოლი შეიცავს ნახშირბადის ატომს ექვსი ბმით, ვიდრე ჩვეულებრივი ოთხი.
ისტორია და ეტიმოლოგია
ინგლისური სახელწოდება carbon (carbon) მომდინარეობს ლათინურიდან carbo, რაც ნიშნავს "ნახშირს" და "ნახშირს", აქედან მოდის ფრანგული სიტყვა charbon, რაც ნიშნავს "ნახშირს". ნახშირბადის გერმანული, ჰოლანდიური და დანიური სახელებია Kohlenstoff, koolstof და kulstof, შესაბამისად, ყველა სიტყვასიტყვით ნიშნავს ნახშირის ნივთიერებას. ნახშირბადი აღმოაჩინეს პრეისტორიულ ხანაში და ცნობილი იყო ჭვარტლისა და ნახშირის სახით ადრეულ ადამიანურ ცივილიზაციებში. ბრილიანტები ცნობილი იყო ალბათ ჩვენს წელთაღრიცხვამდე 2500 წელს. ჩინეთში და ნახშირის სახით ნახშირბადს ამზადებდნენ რომაულ ხანაში იგივე ქიმიით, როგორც დღეს, თიხით დაფარულ პირამიდაში ხის გაცხელებით ჰაერის გამორიცხვით. 1722 წელს რენე ანტუან ფერჰოტ დე რეამურმა აჩვენა, რომ რკინა გარდაიქმნება ფოლადად ზოგიერთი ნივთიერების შთანთქმის გზით, რომელიც ახლა ცნობილია როგორც ნახშირბადი. 1772 წელს ანტუან ლავუაზიემ აჩვენა, რომ ბრილიანტი ნახშირბადის ფორმაა; როდესაც მან დაწვა ნახშირის და ალმასის ნიმუშები და აღმოაჩინა, რომ არცერთი არ წარმოქმნის წყალს და რომ ორივე ნივთიერება გამოყოფს თანაბარი რაოდენობით ნახშირორჟანგს გრამზე. 1779 წელს კარლ ვილჰელმ შელემ აჩვენა, რომ გრაფიტი, რომელიც ტყვიის ფორმაა, ნახშირის იდენტური იყო, მაგრამ მცირე რაოდენობით რკინას, და რომ ის წარმოქმნიდა "ჰაერის მჟავას" (რომელიც არის ნახშირორჟანგი) აზოტის მჟავასთან დაჟანგვისას. . 1786 წელს ფრანგმა მეცნიერებმა კლოდ ლუი ბერტოლემ, გასპარ მონჟმა და ს.ა. ვანდერმონდმა დაადასტურეს, რომ გრაფიტი არსებითად ნახშირბადია, ჟანგბადში მისი დაჟანგვით, ისევე როგორც ლავუაზიემ ალმასთან ერთად. ისევ დარჩა რკინა, რომელიც ფრანგი მეცნიერების აზრით, აუცილებელი იყო გრაფიტის სტრუქტურისთვის. მათ პუბლიკაციაში მათ შესთავაზეს სახელწოდება კარბონი (ლათინურად ნახშირბადი) გრაფიტის ელემენტისთვის, რომელიც გამოიყოფა გაზად გრაფიტის დაწვისას. შემდეგ ანტუან ლავუაზიემ თავის 1789 წლის სახელმძღვანელოში ნახშირბადის ელემენტად ჩამოთვალა. ნახშირბადის ახალი ალოტროპი, ფულერენი, რომელიც აღმოაჩინეს 1985 წელს, მოიცავს ნანოსტრუქტურულ ფორმებს, როგორიცაა ბაკიბოლები და ნანომილები. მათმა აღმომჩენებმა - რობერტ კერლმა, ჰაროლდ კროტომ და რიჩარდ სმელიმ - მიიღეს ნობელის პრემია ქიმიაში 1996 წელს. შედეგად განახლებული ინტერესი ახალი ფორმების მიმართ იწვევს დამატებითი ეგზოტიკური ალოტროპების აღმოჩენას, მათ შორის მინის ნახშირბადს და იმის გაცნობიერებას, რომ „ამორფული ნახშირბადი“ არ არის მკაცრად ამორფული.
წარმოება
გრაფიტი
კომერციულად სიცოცხლისუნარიანი ბუნებრივი გრაფიტის საბადოები გვხვდება მსოფლიოს ბევრ ქვეყანაში, მაგრამ ეკონომიკურად ყველაზე მნიშვნელოვანი წყაროებია ჩინეთში, ინდოეთში, ბრაზილიასა და ჩრდილოეთ კორეაში. გრაფიტის საბადოები წარმოშობის მეტამორფულია, გვხვდება კვარცთან, მიკასთან და ფელდსპარებთან ერთად ფიქალებში, გნაისებში და მეტამორფოზებულ ქვიშაქვებსა და კირქვებში ლინზების ან ვენების სახით, ზოგჯერ რამდენიმე მეტრი ან მეტი სისქის. გრაფიტის მარაგი ბოროუდილში, კუმბერლენდი, ინგლისი საწყისში იყო საკმარისი ზომისა და სისუფთავის, რომ მე-19 საუკუნემდე ფანქრებს ამზადებდნენ ბუნებრივი გრაფიტის ბლოკების ზოლებად დაჭერით, სანამ ზოლები ხის ჩასმული იყო. დღეს უფრო მცირე გრაფიტის საბადოები მიიღება ძირითადი ქანების დამსხვრევით და მსუბუქი გრაფიტის წყალზე ცურვით. არსებობს სამი სახის ბუნებრივი გრაფიტი - ამორფული, ფანტელი ან კრისტალური. ამორფული გრაფიტი ყველაზე დაბალი ხარისხისაა და ყველაზე გავრცელებულია. მეცნიერებისგან განსხვავებით, ინდუსტრიაში "ამორფული" ეხება კრისტალების ძალიან მცირე ზომას, ვიდრე კრისტალური სტრუქტურის სრულ ნაკლებობას. სიტყვა "ამორფული" გამოიყენება პროდუქციის აღსანიშნავად გრაფიტის დაბალი რაოდენობით და არის ყველაზე იაფი გრაფიტი. ამორფული გრაფიტის დიდი საბადოები გვხვდება ჩინეთში, ევროპაში, მექსიკასა და აშშ-ში. პლანშეტური გრაფიტი ნაკლებად გავრცელებული და უფრო მაღალი ხარისხისაა, ვიდრე ამორფული; იგი ჰგავს ცალკეულ ფირფიტებს, რომლებიც კრისტალიზდებიან მეტამორფულ ქანებში. მარცვლოვანი გრაფიტის ფასი შეიძლება ოთხჯერ აღემატებოდეს ამორფულს. კარგი ხარისხის ფანტელი გრაფიტი შეიძლება დამუშავდეს გაფართოებად გრაფიტად მრავალი აპლიკაციისთვის, როგორიცაა ცეცხლგამძლე საშუალებები. პირველადი გრაფიტის საბადოები გვხვდება ავსტრიაში, ბრაზილიაში, კანადაში, ჩინეთში, გერმანიასა და მადაგასკარში. თხევადი ან ერთიანი გრაფიტი ბუნებრივი გრაფიტის უიშვიათესი, ყველაზე ღირებული და უმაღლესი ხარისხის სახეობაა. ის გვხვდება ძარღვებში ინტრუზიული კონტაქტების გასწვრივ მძიმე სიმსივნეებში და მხოლოდ კომერციულად არის მოპოვებული შრი-ლანკაში. USGS-ის მონაცემებით, 2010 წელს ბუნებრივი გრაფიტის გლობალური წარმოება შეადგენდა 1,1 მილიონ ტონას, ჩინეთი 800 000 ტონას აწარმოებდა, ინდოეთი 130 000 ტონა, ბრაზილია 76 000 ტონა, ჩრდილოეთ კორეა 30 000 ტონა და კანადა 25 000 ტონა ნატურალური იყო. შტატებში, მაგრამ 2009 წელს მოიპოვეს 118 000 ტონა სინთეზური გრაფიტი, რომლის სავარაუდო ღირებულება 998 მილიონი დოლარია.
ბრილიანტი
ბრილიანტების მიწოდებას აკონტროლებს ბიზნესის შეზღუდული რაოდენობა და ასევე ძალიან კონცენტრირებულია მცირე რაოდენობის ადგილებში მთელს მსოფლიოში. ალმასის მადნის მხოლოდ ძალიან მცირე ნაწილი შედგება ნამდვილი ბრილიანტებისგან. მადანი იჭრება, რის დროსაც საჭიროა ზრუნვა, რომ ამ პროცესში დიდი ბრილიანტების განადგურება არ მოხდეს, შემდეგ კი ნაწილაკების დახარისხება ხდება სიმკვრივის მიხედვით. დღეს ბრილიანტის მოპოვება ხდება ალმასით მდიდარ ფრაქციაში რენტგენის ფლუორესცენციის გამოყენებით, რის შემდეგაც საბოლოო დახარისხების ეტაპები ხორციელდება ხელით. რენტგენის გამოყენების გავრცელებამდე გამოყოფა ხდებოდა საპოხი ლენტების გამოყენებით; ცნობილია, რომ ბრილიანტები მხოლოდ სამხრეთ ინდოეთის ალუვიურ საბადოებშია ნაპოვნი. ცნობილია, რომ ბრილიანტები უფრო მეტად იკვებება მასაზე, ვიდრე მადნის სხვა მინერალები. ინდოეთი იყო ლიდერი ბრილიანტების წარმოებაში მათი აღმოჩენიდან ძვ. წ. მე-9 საუკუნიდან ახ. ბრაზილია, სადაც აღმოაჩინეს პირველი ბრილიანტები 1725 წელს. პირველადი საბადოების ალმასის წარმოება (კიმბერლიტები და ლამპროიტები) დაიწყო მხოლოდ 1870-იან წლებში, სამხრეთ აფრიკაში ალმასის საბადოების აღმოჩენის შემდეგ. ალმასის წარმოება დროთა განმავლობაში გაიზარდა და ამ თარიღიდან მხოლოდ 4,5 მილიარდი კარატი დაგროვდა. ამ თანხის დაახლოებით 20% მხოლოდ ბოლო 5 წლის განმავლობაში იქნა მოპოვებული, ბოლო ათი წლის განმავლობაში კი 9 ახალი საბადო დაიწყო წარმოება და კიდევ 4 ელოდება მალე აღმოჩენას. ამ საბადოების უმეტესობა მდებარეობს კანადაში, ზიმბაბვეში, ანგოლაში და ერთი რუსეთში. შეერთებულ შტატებში ბრილიანტები აღმოაჩინეს არკანზასში, კოლორადოსა და მონტანაში. 2004 წელს შეერთებულ შტატებში მიკროსკოპული ალმასის გასაოცარმა აღმოჩენამ განაპირობა 2008 წლის იანვარში მონტანას შორეულ ნაწილში კიმბერლიტის მილების მასიური სინჯების გამოშვება. დღესდღეობით, კომერციულად მომგებიანი ალმასის საბადოების უმრავლესობა რუსეთში, ბოტსვანაში, ავსტრალიაში და კონგოს დემოკრატიულ რესპუბლიკაშია. 2005 წელს რუსეთი აწარმოებდა მსოფლიოს ალმასის მოწოდების თითქმის მეხუთედს, ბრიტანეთის გეოლოგიური სამსახურის მონაცემებით. ავსტრალიაში, უმდიდრესი ალმასიანი მილები მიაღწია წარმოების პიკს 42 მეტრულ ტონას (41 ტონა, 46 მოკლე ტონა) წელიწადში 1990-იან წლებში. ასევე არის კომერციული საბადოები, რომლებიც აქტიურად არის დანაღმული კანადის ჩრდილო-დასავლეთ ტერიტორიებზე, ციმბირში (ძირითადად იაკუტიაში, მაგალითად, მირ მილსა და უდაჩნაიას მილსადენში), ბრაზილიაში, ასევე ჩრდილოეთ და დასავლეთ ავსტრალიაში.
აპლიკაციები
ნახშირბადი აუცილებელია ყველა ცნობილი ცოცხალი სისტემისთვის. მის გარეშე სიცოცხლე, როგორც ვიცით, ვერ იარსებებს. ნახშირბადის ძირითადი ეკონომიკური გამოყენება საკვებისა და ხის გარდა არის ნახშირწყალბადები, ძირითადად წიაღისეული საწვავი მეთანი და ნედლი ნავთობი. ნედლი ნავთობი გადამუშავებულია გადამამუშავებელი ქარხნების მიერ ბენზინის, ნავთის და სხვა პროდუქტების წარმოებისთვის. ცელულოზა არის ბუნებრივი ნახშირბადის შემცველი პოლიმერი, რომელსაც მცენარეები აწარმოებენ ხის, ბამბის, სელისა და კანაფის სახით. ცელულოზა ძირითადად გამოიყენება მცენარეთა სტრუქტურის შესანარჩუნებლად. კომერციულად ღირებული ცხოველებზე დაფუძნებული ნახშირბადის პოლიმერები მოიცავს მატყლს, ქაშმირს და აბრეშუმს. პლასტმასები მზადდება სინთეზური ნახშირბადის პოლიმერებისგან, ხშირად ჟანგბადის და აზოტის ატომებით, რომლებიც რეგულარული ინტერვალებით არის ჩართული პოლიმერის ხერხემალში. მრავალი ამ სინთეტიკის ნედლეული მოდის ნედლი ნავთობიდან. ნახშირბადის და მისი ნაერთების გამოყენება უკიდურესად მრავალფეროვანია. ნახშირბადს შეუძლია შექმნას შენადნობები რკინით, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებულია ნახშირბადოვანი ფოლადი. გრაფიტი შერწყმულია თიხებთან და ქმნის "ტყვიას", რომელიც გამოიყენება ფანქრებში, რომლებიც გამოიყენება წერისა და ხატვისთვის. იგი ასევე გამოიყენება როგორც ლუბრიკანტი და პიგმენტი, როგორც ჩამოსხმის მასალა მინის წარმოებაში, ელექტროდებში მშრალი ბატარეებისა და ელექტრული დამუშავებისა და ელექტროფორმირებისთვის, ელექტროძრავების ჯაგრისებში და როგორც ნეიტრონის მოდერატორი ბირთვულ რეაქტორებში. ნახშირი გამოიყენება როგორც მასალა ხელოვნების დასამზადებლად, როგორც მწვადის გრილი, რკინის დნობისთვის და მრავალი სხვა გამოყენებისთვის. ხე, ქვანახშირი და ზეთი გამოიყენება როგორც საწვავი ენერგიის წარმოებისთვის და გათბობისთვის. მაღალი ხარისხის ბრილიანტი გამოიყენება სამკაულების წარმოებაში, ხოლო სამრეწველო ბრილიანტი გამოიყენება ლითონისა და ქვის სამუშაო იარაღების ბურღვის, ჭრისა და გასაპრიალებლად. პლასტმასები დამზადებულია ნამარხი ნახშირწყალბადებისგან, ხოლო ნახშირბადის ბოჭკოვანი, დამზადებული სინთეზური პოლიესტერის ბოჭკოების პიროლიზისგან, გამოიყენება პლასტმასის გასაძლიერებლად მოწინავე, მსუბუქ კომპოზიტურ მასალებში. ნახშირბადის ბოჭკო მზადდება პოლიაკრილონიტრილის (PAN) და სხვა ორგანული მასალების წნეხილი და დაჭიმული ძაფების პიროლიზირებით. ბოჭკოს კრისტალური სტრუქტურა და მექანიკური თვისებები დამოკიდებულია საწყისი მასალის ტიპზე და შემდგომ დამუშავებაზე. PAN-ისგან დამზადებულ ნახშირბადის ბოჭკოებს აქვს სტრუქტურა, რომელიც წააგავს გრაფიტის ვიწრო ძაფებს, მაგრამ თერმული დამუშავებით შეიძლება სტრუქტურა გადააკეთოს უწყვეტ ფურცლად. შედეგად, ბოჭკოებს აქვთ უფრო მაღალი სპეციფიკური დაჭიმვის ძალა, ვიდრე ფოლადი. ნახშირბადის შავი გამოიყენება როგორც შავი პიგმენტი ბეჭდვის მელანებში, მხატვრების ზეთის საღებავებში და აკვარელებში, ნახშირბადის ქაღალდში, ავტომობილების მორთვაში, მელანებში და ლაზერულ პრინტერებში. ნახშირბადის შავი ასევე გამოიყენება როგორც შემავსებელი რეზინის პროდუქტებში, როგორიცაა საბურავები და პლასტმასის ნაერთებში. გააქტიურებული ნახშირბადი გამოიყენება როგორც შთამნთქმელი და ადსორბენტი ფილტრის მედიაში სხვადასხვა აპლიკაციებში, როგორიცაა გაზის ნიღბები, წყლის გამწმენდი და გაზქურის გამწოვები და მედიცინაში ტოქსინების, შხამების ან გაზების ათვისებისთვის საჭმლის მომნელებელი სისტემისგან. ნახშირბადი გამოიყენება მაღალ ტემპერატურაზე ქიმიური შემცირებისთვის. კოკა გამოიყენება რკინაში რკინის მადნის შესამცირებლად (დნობა). ფოლადის გამყარება მიიღწევა მზა ფოლადის კომპონენტების ნახშირბადის ფხვნილში გაცხელებით. სილიციუმის, ვოლფრამის, ბორის და ტიტანის კარბიდები ერთ-ერთი უმძიმესი მასალებია და გამოიყენება როგორც აბრაზიული საჭრელი და დასაფქვავი. ნახშირბადის ნაერთები ქმნიან ტანსაცმელში გამოყენებული მასალების უმეტეს ნაწილს, როგორიცაა ბუნებრივი და სინთეზური ქსოვილები და ტყავი, და თითქმის ყველა შიდა ზედაპირი, შუშის, ქვის და ლითონის გარდა სხვა გარემოში.
ბრილიანტები
ალმასის ინდუსტრია იყოფა ორ კატეგორიად, ერთი არის მაღალი ხარისხის ბრილიანტები (ძვირფასი ქვები) და მეორე არის სამრეწველო კლასის ბრილიანტები. მიუხედავად იმისა, რომ ორივე ტიპის ბრილიანტებით ბევრი ვაჭრობა ხდება, ორი ბაზარი საკმაოდ განსხვავებულად მუშაობს. ძვირფასი ლითონებისგან განსხვავებით, როგორიცაა ოქრო ან პლატინა, ძვირფასი ქვებით ბრილიანტებით ვაჭრობა არ ხდება საქონლის სახით: ბრილიანტების გაყიდვაზე მნიშვნელოვანი მარკირებაა და ბრილიანტების გადაყიდვის ბაზარი არც თუ ისე აქტიურია. სამრეწველო ბრილიანტები ფასდება ძირითადად მათი სიხისტისა და თბოგამტარობის გამო, ხოლო გამჭვირვალობისა და ფერის გემოლოგიური თვისებები დიდწილად შეუსაბამოა. მოპოვებული ალმასების დაახლოებით 80% (უდრის დაახლოებით 100 მილიონი კარატი ან 20 ტონა წელიწადში) გამოუსადეგარია და გამოიყენება ინდუსტრიაში (ბრილიანტის ჯართი). 1950-იან წლებში გამოგონილმა სინთეტურმა ბრილიანტებმა თითქმის მაშინვე იპოვეს სამრეწველო გამოყენება; ყოველწლიურად იწარმოება 3 მილიარდი კარატი (600 ტონა) სინთეტიკური ბრილიანტი. ალმასის დომინანტური ინდუსტრიული გამოყენება არის ჭრა, ბურღვა, დაფქვა და გაპრიალება. ამ აპლიკაციების უმეტესობა არ საჭიროებს დიდ ბრილიანტებს; ფაქტობრივად, ძვირფასი ქვის ხარისხის ბრილიანტების უმეტესობა, გარდა მცირე ზომის ბრილიანტებისა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ინდუსტრიაში. ბრილიანტები ჩასმულია საბურღი წვეროებში ან ხერხის პირებში, ან ფხვნილში ფხვნილში გამოიყენება დაფქვასა და გასაპრიალებლად. სპეციალიზებული აპლიკაციები მოიცავს ლაბორატორიებში გამოყენებას, როგორც შესანახად მაღალი წნევის ექსპერიმენტებისთვის, მაღალი ხარისხის საკისრები და შეზღუდული გამოყენება სპეციალიზებულ ფანჯრებში. სინთეტიკური ბრილიანტების წარმოებაში მიღწეული მიღწევების წყალობით, ახალი აპლიკაციები ხდება შესაძლებელი. დიდი ყურადღება დაეთმო ალმასის შესაძლო გამოყენებას, როგორც ნახევარგამტარად, რომელიც შესაფერისია მიკროჩიპებისთვის და მისი განსაკუთრებული თერმული კონდუქტომეტრის გამო, როგორც სითბოს გამტარი ელექტრონიკაში.
ალმასის სტრუქტურა (ა)და გრაფიტი (ბ)
Ნახშირბადის(ლათინური კარბონეუმი) - C, მენდელეევის პერიოდული სისტემის IV ჯგუფის ქიმიური ელემენტი, ატომური ნომერი 6, ატომური მასა 12.011. ბუნებაში გვხვდება ალმასის, გრაფიტის ან ფულერენის და სხვა ფორმების კრისტალების სახით და არის ორგანული (ქვანახშირი, ზეთი, ცხოველური და მცენარეული ორგანიზმები და სხვ.) და არაორგანული ნივთიერებების (კირქვა, საცხობი სოდა და ა.შ.) ნაწილი. ნახშირბადი ფართოდ არის გავრცელებული, მაგრამ მისი შემცველობა დედამიწის ქერქში მხოლოდ 0,19%-ია.
ნახშირბადი ფართოდ გამოიყენება მარტივი ნივთიერებების სახით. ძვირფასი ალმასების გარდა, რომლებიც სამკაულების საგანია, დიდი მნიშვნელობა აქვს სამრეწველო ბრილიანტებს - სახეხი და საჭრელი იარაღების დასამზადებლად. ნახშირი და ნახშირბადის სხვა ამორფული ფორმები გამოიყენება დეკოლორიზაციისთვის, გაწმენდისთვის, გაზების ადსორბციისთვის, ტექნოლოგიის სფეროებში, სადაც საჭიროა განვითარებული ზედაპირის ადსორბენტები. კარბიდები, ნახშირბადის ნაერთები ლითონებთან, აგრეთვე ბორთან და სილიციუმთან (მაგალითად, Al 4 C 3, SiC, B 4 C) ძალიან მყარია და გამოიყენება აბრაზიული და საჭრელი იარაღების დასამზადებლად. ნახშირბადი იმყოფება ფოლადებსა და შენადნობებში ელემენტარულ მდგომარეობაში და კარბიდების სახით. ფოლადის ჩამოსხმის ზედაპირის გაჯერება ნახშირბადით მაღალ ტემპერატურაზე (კარბურიზაცია) მნიშვნელოვნად ზრდის ზედაპირის სიმტკიცეს და აცვიათ წინააღმდეგობას.
ისტორიის მინიშნება
გრაფიტი, ბრილიანტი და ამორფული ნახშირბადი ცნობილია უძველესი დროიდან. უკვე დიდი ხანია ცნობილია, რომ სხვა მასალის აღნიშვნა შესაძლებელია გრაფიტით და თავად სახელი „გრაფიტი“, რომელიც მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან, რაც ნიშნავს „წერას“, შემოთავაზებულია ა. ვერნერის მიერ 1789 წელს. თუმცა, გრაფიტის ისტორია არის დაბნეული, ხშირად მსგავსი გარეგანი ფიზიკური თვისებების მქონე ნივთიერებები შეცდომით შეცდა. , როგორიცაა მოლიბდენიტი (მოლიბდენის სულფიდი), რომელიც ერთ დროს განიხილებოდა გრაფიტი. გრაფიტის სხვა სახელებს შორის ცნობილია „შავი ტყვია“, „რკინის კარბიდი“, „ვერცხლის ტყვია“.
1779 წელს კ.შელემ აღმოაჩინა, რომ გრაფიტი შეიძლება დაჟანგდეს ჰაერით ნახშირორჟანგის წარმოქმნით. პირველად ბრილიანტები გამოიყენეს ინდოეთში, ხოლო ბრაზილიაში ძვირფასმა ქვებმა კომერციული მნიშვნელობა 1725 წელს შეიძინეს; საბადოები სამხრეთ აფრიკაში აღმოაჩინეს 1867 წელს.
მე-20 საუკუნეში ალმასის ძირითადი მწარმოებლები არიან სამხრეთ აფრიკა, ზაირი, ბოტსვანა, ნამიბია, ანგოლა, სიერა ლეონე, ტანზანია და რუსეთი. ხელოვნური ბრილიანტები, რომელთა ტექნოლოგია შეიქმნა 1970 წელს, იწარმოება სამრეწველო მიზნებისთვის.
Თვისებები
ცნობილია ნახშირბადის ოთხი კრისტალური მოდიფიკაცია:
- გრაფიტი,
- ბრილიანტი,
- კარაბინი,
- ლონსდალეიტი.
გრაფიტი- რუხი-შავი, გაუმჭვირვალე, შეხებით ცხიმიანი, ქერცლიანი, ძალიან რბილი მასა მეტალის ბზინვარებით. ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალურ წნევაზე (0,1 MN/m2, ან 1 kgf/cm2), გრაფიტი თერმოდინამიკურად სტაბილურია.
ბრილიანტი- ძალიან მყარი, კრისტალური ნივთიერება. კრისტალებს აქვთ კუბური სახეზე ორიენტირებული გისოსი. ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალურ წნევაზე ბრილიანტი მეტასტაბილურია. ალმასის შესამჩნევი ტრანსფორმაცია გრაფიტად შეინიშნება 1400°C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე ვაკუუმში ან ინერტულ ატმოსფეროში. ატმოსფერული წნევის და დაახლოებით 3700 ° C ტემპერატურაზე, გრაფიტი სუბლიმირებულია.
თხევადი ნახშირბადის მიღება შესაძლებელია 10,5 MN/m2 (105 kgf/cm2) ზემოთ წნევით და 3700°C-ზე მაღლა ტემპერატურებზე. მყარ ნახშირბადს (კოქსი, ჭვარტლი, ნახშირი) ასევე ახასიათებს მოუწესრიგებელი აგებულების მდგომარეობა - ე.წ „ამორფული“ ნახშირბადი, რომელიც არ წარმოადგენს დამოუკიდებელ მოდიფიკაციას; მისი სტრუქტურა ეფუძნება წვრილმარცვლოვანი გრაფიტის სტრუქტურას. ზოგიერთი ჯიშის "ამორფული" ნახშირბადის 1500-1600 ° C ტემპერატურაზე ჰაერის გარეშე გაცხელება იწვევს მათ გარდაქმნას გრაფიტად.
"ამორფული" ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები ძლიერ არის დამოკიდებული ნაწილაკების დისპერსიაზე და მინარევების არსებობაზე. "ამორფული" ნახშირბადის სიმკვრივე, სითბოს მოცულობა, თბოგამტარობა და ელექტროგამტარობა ყოველთვის უფრო მაღალია ვიდრე გრაფიტი.
კარაბინიხელოვნურად მიღებული. ეს არის შავი ფერის წვრილად კრისტალური ფხვნილი (სიმკვრივე 1,9-2 გ / სმ 3). აგებულია ატომების გრძელი ჯაჭვებისგან FROMერთმანეთის პარალელურად დალაგებული.
ლონსდალეიტინაპოვნია მეტეორიტებში და მიღებული ხელოვნურად; მისი სტრუქტურა და თვისებები საბოლოოდ არ არის დადგენილი.
| ნახშირბადის თვისებები | ||
|---|---|---|
| ატომური ნომერი | 6 | |
| ატომური მასა | 12,011 | |
| იზოტოპები: | სტაბილური | 12, 13 |
| არასტაბილური | 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 | |
| დნობის ტემპერატურა | 3550°С | |
| დუღილის ტემპერატურა | 4200°C | |
| სიმჭიდროვე | 1.9-2.3 გ / სმ 3 (გრაფიტი) 3,5-3,53 გ / სმ 3 (ბრილიანტი) |
|
| სიმტკიცე (Mohs) | 1-2 | |
| შიგთავსი დედამიწის ქერქში (მას.) | 0,19% | |
| ჟანგვის მდგომარეობები | -4; +2; +4 | |
შენადნობები
Ფოლადი
კოკა გამოიყენება მეტალურგიაში, როგორც შემამცირებელი საშუალება. ნახშირი - სამჭედლოებში, დენთის მისაღებად (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), აირების შესაწოვად (ადსორბცია), ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ჭვარტლი გამოიყენება როგორც რეზინის შემავსებელი, შავი საღებავების - საბეჭდი მელნისა და მელნის დასამზადებლად, ასევე მშრალ გალვანურ უჯრედებში. შუშის ნახშირბადი გამოიყენება უაღრესად აგრესიული გარემოსთვის აღჭურვილობის დასამზადებლად, ასევე ავიაციასა და ასტრონავტიკაში.
გააქტიურებული ნახშირი შთანთქავს მავნე ნივთიერებებს გაზებიდან და სითხეებიდან: ისინი ავსებენ გაზის ნიღბებს, გამწმენდ სისტემებს, გამოიყენება მედიცინაში მოწამვლისთვის.
ნახშირბადი არის ყველა ორგანული ნივთიერების საფუძველი. ყველა ცოცხალი ორგანიზმი ძირითადად ნახშირბადისგან შედგება. ნახშირბადი არის სიცოცხლის საფუძველი. ცოცხალი ორგანიზმებისთვის ნახშირბადის წყარო ჩვეულებრივ არის CO 2 ატმოსფეროდან ან წყლისგან. ფოტოსინთეზის შედეგად, ის შედის ბიოლოგიურ კვებით ჯაჭვებში, რომლებშიც ცოცხალი არსებები ჭამენ ერთმანეთს ან ერთმანეთის ნარჩენებს და ამით გამოიმუშავებენ ნახშირბადს საკუთარი სხეულის ასაშენებლად. ნახშირბადის ბიოლოგიური ციკლი მთავრდება ან დაჟანგვით და ატმოსფეროში დაბრუნებით, ან ნახშირის ან ნავთობის სახით განკარგვით.
რადიოაქტიური იზოტოპის 14 C გამოყენებამ ხელი შეუწყო მოლეკულური ბიოლოგიის წარმატებას ცილების ბიოსინთეზის მექანიზმების შესწავლაში და მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემაში. ნახშირბადის ორგანულ ნაშთებში 14 C-ის სპეციფიკური აქტივობის განსაზღვრა შესაძლებელს ხდის მათი ასაკის მსჯელობას, რომელიც გამოიყენება პალეონტოლოგიასა და არქეოლოგიაში.
წყაროები
| ქიმიური ელემენტები და მასალები |
||
|---|---|---|
| ქიმიური ელემენტები | აზოტი. არგონი. წყალბადი. ჰელიუმი. რკინა . კალციუმი. ჟანგბადი. სილიკონი. მაგნიუმი. მანგანუმი. | |
ნახშირბადი (ქიმიური სიმბოლო - C) არის მენდელეევის პერიოდული სისტემის მე-2 პერიოდის მთავარი ქვეჯგუფის მე-4 ჯგუფის ქიმიური ელემენტი, სერიული ნომერი 6, იზოტოპების ბუნებრივი ნარევის ატომური მასა არის 12,0107 გ/მოლი.
ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე ნახშირბადი ქიმიურად ინერტულია, საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე ის ერწყმის ბევრ ელემენტს და ავლენს ძლიერ შემცირების თვისებებს. ნახშირბადის სხვადასხვა ფორმის ქიმიური აქტივობა მცირდება შემდეგი თანმიმდევრობით: ამორფული ნახშირბადი, გრაფიტი, ბრილიანტი, ჰაერში ისინი ანთებენ შესაბამისად 300-500 °C, 600-700 °C და 850-1000 °C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე.
იზოტოპები:
ბუნებრივი ნახშირბადი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისგან - 12C (98,892%) და 13C (1,108%) და ერთი რადიოაქტიური იზოტოპი 14C (β-ემიტერი, T½ = 5730 წელი) კონცენტრირებული ატმოსფეროში და დედამიწის ქერქის ზედა ნაწილში. ის მუდმივად წარმოიქმნება სტრატოსფეროს ქვედა ფენებში კოსმოსური გამოსხივების ნეიტრონების მოქმედების შედეგად აზოტის ბირთვებზე რეაქციით: 14N (n, p) 14C და ასევე, 1950-იანი წლების შუა ხანებიდან, როგორც ადამიანის მიერ შექმნილი. ატომური ელექტროსადგურების პროდუქტი და წყალბადის ბომბების ტესტირების შედეგად.
14C-ის ფორმირება და დაშლა არის რადიოკარბონული დათარიღების მეთოდის საფუძველი, რომელიც ფართოდ გამოიყენება მეოთხეულ გეოლოგიასა და არქეოლოგიაში.
ალოტროპია:
ნახშირბადის ატომის ელექტრონულ ორბიტალებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული გეომეტრია, რაც დამოკიდებულია მისი ელექტრონული ორბიტალების ჰიბრიდიზაციის ხარისხზე. ნახშირბადის ატომის სამი ძირითადი გეომეტრია არსებობს.
ტეტრაჰედრული, წარმოიქმნება ერთი s- და სამი p-ელექტრონის შერევით (sp3 ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომი მდებარეობს ტეტრაედრის ცენტრში, რომელიც დაკავშირებულია ოთხი ეკვივალენტური σ-ბმებით ნახშირბადის ატომებთან ან სხვა ტეტრაედრონის წვეროებზე. ნახშირბადის ატომის ეს გეომეტრია შეესაბამება ნახშირბადის ალმასის და ლონსდალეიტის ალოტროპულ მოდიფიკაციას. ნახშირბადს აქვს ასეთი ჰიბრიდიზაცია, მაგალითად, მეთანში და სხვა ნახშირწყალბადებში.
ტრიგონალი, წარმოიქმნება ერთი s- და ორი p-ელექტრონული ორბიტალის შერევით (sp² ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომს აქვს სამი ეკვივალენტური σ-ბმა, რომლებიც განლაგებულია იმავე სიბრტყეში, ერთმანეთის მიმართ 120° კუთხით. p-ორბიტალი, რომელიც არ მონაწილეობს ჰიბრიდიზაციაში და განლაგებულია σ-ბმათა სიბრტყის პერპენდიკულარულად, გამოიყენება სხვა ატომებთან π-ბმების შესაქმნელად. ნახშირბადის ეს გეომეტრია დამახასიათებელია გრაფიტისთვის, ფენოლისთვის და ა.შ.
- დიგონალური, წარმოიქმნება ერთი s- და ერთი p-ელექტრონების შერევით (sp-ჰიბრიდიზაცია). ამ შემთხვევაში, ორი ელექტრონული ღრუბელი წაგრძელებულია იმავე მიმართულებით და ჰგავს ასიმეტრიულ ჰანტელებს. დანარჩენი ორი p-ელექტრონი ქმნიან π-კავშირებს. ნახშირბადი ატომის ასეთი გეომეტრიით ქმნის სპეციალურ ალოტროპულ მოდიფიკაციას - კარაბინს.
ჟანგვის მდგომარეობები +4, −4, იშვიათად +2 (CO, ლითონის კარბიდები), +3 (C2N2, ჰალოციანატები); ელექტრონის აფინურობა 1,27 ევ; იონიზაციის ენერგია C0-დან C4+-ზე თანმიმდევრული გადასვლისას არის 11.2604, 24.383, 47.871 და 64.19 eV, შესაბამისად.
ნახშირბადის ქიმიური თვისებები
ურთიერთქმედება ფტორთან
ნახშირბადს აქვს დაბალი რეაქტიულობა; ჰალოგენებიდან ის რეაგირებს მხოლოდ ფტორთან:
C + 2F2 = CF4.
ურთიერთქმედება ჟანგბადთან
როდესაც თბება, ის ურთიერთქმედებს ჟანგბადთან:
2C + O2 = 2CO,
C + O2 = CO2,
წარმოქმნის CO და CO2 ოქსიდებს.
ურთიერთქმედება სხვა არამეტალებთან
რეაგირებს გოგირდთან:
არ ურთიერთქმედებს აზოტთან და ფოსფორთან.
რეაგირებს წყალბადთან ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით მეთანის წარმოქმნით:
ურთიერთქმედება ლითონებთან
შეუძლია ურთიერთქმედება ლითონებთან, წარმოქმნის კარბიდებს:
Ca + 2C = CaC2.
წყალთან ურთიერთქმედება
როდესაც წყლის ორთქლი გადის ცხელ ნახშირში, წარმოიქმნება ნახშირბადის მონოქსიდი (II) და წყალბადი:
C + H2O = CO + H2.
აღდგენითი თვისებები
ნახშირბადს შეუძლია შეამციროს მრავალი ლითონი მათი ოქსიდებისგან:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
კონცენტრირებული გოგირდის და აზოტის მჟავები, გაცხელებისას, იჟანგება ნახშირბადი ნახშირბადის მონოქსიდში (IV):
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O.
მემორანდუმი "ნიკიფოროვსკაიას No1 საშუალო სკოლა"
ნახშირბადი და მისი ძირითადი არაორგანული ნაერთები
აბსტრაქტული
დაასრულა: 9B კლასის მოსწავლე
სიდოროვი ალექსანდრე
მასწავლებელი: სახაროვა ლ.ნ.
დიმიტრიევკა 2009 წ
შესავალი
თავი I. ყველაფერი ნახშირბადის შესახებ
1.1. ნახშირბადი ბუნებაში
1.2. ნახშირბადის ალოტროპული მოდიფიკაციები
1.3. ნახშირბადის ქიმიური თვისებები
1.4. ნახშირბადის გამოყენება
თავი II. არაორგანული ნახშირბადის ნაერთები
დასკვნა
ლიტერატურა
შესავალი
ნახშირბადი (ლათ. Carboneum) C მენდელეევის პერიოდული სისტემის IV ჯგუფის ქიმიური ელემენტია: ატომური ნომერი 6, ატომური მასა 12,011(1). განვიხილოთ ნახშირბადის ატომის სტრუქტურა. ნახშირბადის ატომის გარე ენერგეტიკულ დონეზე ოთხი ელექტრონია. მოდით დავხატოთ გრაფიკი:
ნახშირბადი ცნობილია უძველესი დროიდან და უცნობია ამ ელემენტის აღმომჩენის სახელი.
XVII საუკუნის ბოლოს. ფლორენციელი მეცნიერები ავერანი და ტარჯიონი ცდილობდნენ რამდენიმე პატარა ბრილიანტის შერწყმას ერთ დიდში და მზის სხივებით დამწვარი შუშის დახმარებით გააცხელეს. ბრილიანტები ჰაერში დაწვის შემდეგ გაქრა. 1772 წელს ფრანგმა ქიმიკოსმა ა. ლავუაზიემ აჩვენა, რომ CO 2 წარმოიქმნება ალმასის წვის დროს. მხოლოდ 1797 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ს.ტენანტმა დაამტკიცა გრაფიტისა და ნახშირის ბუნების იდენტურობა. ნახშირისა და ალმასის თანაბარი რაოდენობით დაწვის შემდეგ ნახშირბადის მონოქსიდის (IV) მოცულობები იგივე აღმოჩნდა.
ნახშირბადის ნაერთების მრავალფეროვნება, რაც აიხსნება მისი ატომების ერთმანეთთან და სხვა ელემენტების ატომებთან სხვადასხვა გზით შერწყმის უნარით, განსაზღვრავს ნახშირბადის განსაკუთრებულ პოზიციას სხვა ელემენტებს შორის.
თავი მე . ყველაფერი ნახშირბადის შესახებ
1.1. ნახშირბადი ბუნებაში
ნახშირბადი ბუნებაში გვხვდება როგორც თავისუფალ მდგომარეობაში, ასევე ნაერთების სახით.
თავისუფალი ნახშირბადი გვხვდება ალმასის, გრაფიტის და კარაბინის სახით.
ბრილიანტები ძალიან იშვიათია. ყველაზე დიდი ცნობილი ბრილიანტი - "კულინანი" იპოვეს 1905 წელს სამხრეთ აფრიკაში, იწონიდა 621,2 გ-ს და ზომით 10 × 6,5 × 5 სმ. მოსკოვის ბრილიანტის ფონდში ინახება მსოფლიოში ერთ-ერთი უდიდესი და ულამაზესი ბრილიანტი - ორლოვი (37,92). ზ).
ბრილიანტმა მიიღო სახელი ბერძნულიდან. "ადამასი" - უძლეველი, ურღვევი. ალმასის ყველაზე მნიშვნელოვანი საბადოები მდებარეობს სამხრეთ აფრიკაში, ბრაზილიასა და იაკუტიაში.
გრაფიტის დიდი საბადოები მდებარეობს გერმანიაში, შრი-ლანკაში, ციმბირში, ალტაიში.
ძირითადი ნახშირბადის შემცველი მინერალებია: მაგნეზიტი MgCO 3, კალციტი (ცაცხვი სპარი, კირქვა, მარმარილო, ცარცი) CaCO 3, დოლომიტი CaMg (CO 3) 2 და ა.შ.
ყველა წიაღისეული საწვავი - ნავთობი, გაზი, ტორფი, მყარი და ყავისფერი ქვანახშირი, ფიქალი - აგებულია ნახშირბადის საფუძველზე. ნახშირბადთან შემადგენლობით ახლოს არის ზოგიერთი ნამარხი ნახშირი, რომელიც შეიცავს 99% C-მდე.
ნახშირბადი დედამიწის ქერქის 0,1%-ს შეადგენს.
ნახშირბადის მონოქსიდის სახით (IV) CO 2 ნახშირბადი ატმოსფეროს ნაწილია. დიდი რაოდენობით CO 2 იხსნება ჰიდროსფეროში.
1.2. ნახშირბადის ალოტროპული მოდიფიკაციები
ელემენტარული ნახშირბადი ქმნის სამ ალოტროპულ მოდიფიკაციას: ბრილიანტი, გრაფიტი, კარაბინი.
1. ბრილიანტი არის უფერო, გამჭვირვალე კრისტალური ნივთიერება, რომელიც უაღრესად ძლიერად არღვევს სინათლის სხივებს. ალმასში ნახშირბადის ატომები sp 3 ჰიბრიდიზაციის მდგომარეობაშია. აღგზნებულ მდგომარეობაში ნახშირბადის ატომებში ვალენტური ელექტრონები იშლება და წარმოიქმნება ოთხი დაუწყვილებელი ელექტრონი. როდესაც ქიმიური ბმები წარმოიქმნება, ელექტრონული ღრუბლები იძენენ იმავე მოგრძო ფორმას და განლაგებულია სივრცეში ისე, რომ მათი ღერძი მიმართულია ტეტრაედრის წვეროებისკენ. როდესაც ამ ღრუბლების მწვერვალები გადაფარავს სხვა ნახშირბადის ატომების ღრუბლებს, კოვალენტური ბმები ჩნდება 109°28" კუთხით და იქმნება ატომური კრისტალური ბადე, რომელიც დამახასიათებელია ალმასისთვის.
ალმასის თითოეულ ნახშირბადის ატომს აკრავს ოთხი სხვა, რომლებიც მდებარეობს მისგან ტეტრაედრის ცენტრიდან წვეროებამდე. ტეტრაედრებში ატომებს შორის მანძილი არის 0,154 ნმ. ყველა ობლიგაციების სიძლიერე ერთნაირია. ამრიგად, ალმასის ატომები ძალიან მჭიდროდ არის "შეფუთული". 20°C-ზე ალმასის სიმკვრივეა 3,515 გ/სმ 3. ეს ხსნის მის განსაკუთრებულ სიმტკიცეს. ბრილიანტი ელექტროენერგიის ცუდი გამტარია.
1961 წელს საბჭოთა კავშირში დაიწყო გრაფიტისგან სინთეზური ალმასის სამრეწველო წარმოება.
ალმასის სამრეწველო სინთეზში გამოიყენება ათასობით მპა წნევა და ტემპერატურა 1500-დან 3000°C-მდე. პროცესი ტარდება კატალიზატორების თანდასწრებით, რომლებიც შეიძლება იყოს ზოგიერთი ლითონი, როგორიცაა Ni. ჩამოყალიბებული ბრილიანტების უმეტესი ნაწილი არის პატარა კრისტალები და ალმასის მტვერი.
ბრილიანტი, როდესაც თბება ჰაერზე წვდომის გარეშე 1000 ° C-ზე ზემოთ, იქცევა გრაფიტად. 1750°C-ზე ალმასის გრაფიტად გარდაქმნა სწრაფად ხდება.
ალმასის სტრუქტურა
2. გრაფიტი არის ნაცრისფერ-შავი კრისტალური ნივთიერება მეტალის ბზინვარებით, ცხიმიანი შეხებით, სიმკვრივით ჩამოუვარდება ქაღალდსაც კი.
გრაფიტის კრისტალებში ნახშირბადის ატომები sp 2 ჰიბრიდიზაციის მდგომარეობაშია: თითოეული მათგანი ქმნის სამ კოვალენტურ σ ბმას მეზობელ ატომებთან. ბმის მიმართულებებს შორის კუთხეებია 120°. შედეგი არის ბადე, რომელიც შედგება რეგულარული ექვსკუთხედებისგან. ფენის შიგნით ნახშირბადის ატომების მიმდებარე ბირთვებს შორის მანძილი არის 0,142 ნმ. გრაფიტის თითოეული ნახშირბადის ატომის გარე ფენის მეოთხე ელექტრონი იკავებს p-ორბიტალს, რომელიც არ მონაწილეობს ჰიბრიდიზაციაში.
ნახშირბადის ატომების არაჰიბრიდული ელექტრონული ღრუბლები ორიენტირებულია ფენის სიბრტყეზე პერპენდიკულარულად და ერთმანეთზე გადაფარვით ქმნიან დელოკალიზებულ σ-ბმას. გრაფიტის კრისტალში მეზობელი ფენები განლაგებულია ერთმანეთისგან 0,335 ნმ მანძილზე და სუსტად არის დაკავშირებული ერთმანეთთან, ძირითადად ვან დერ ვაალის ძალებით. ამიტომ გრაფიტს აქვს დაბალი მექანიკური სიმტკიცე და ადვილად იშლება ფანტელებად, რომლებიც თავისთავად ძალიან მტკიცეა. გრაფიტის ნახშირბადის ატომების ფენებს შორის კავშირი ნაწილობრივ მეტალისაა. ეს ხსნის იმ ფაქტს, რომ გრაფიტი კარგად ატარებს ელექტროენერგიას, მაგრამ მაინც არა ისე კარგად, როგორც ლითონები.
გრაფიტის სტრუქტურა
გრაფიტის ფიზიკური თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება მიმართულებებით - პერპენდიკულარული და ნახშირბადის ატომების ფენების პარალელურად.
ჰაერზე წვდომის გარეშე გაცხელებისას გრაფიტი არ განიცდის ცვლილებებს 3700°C-მდე. ამ ტემპერატურაზე სუბლიმაცია ხდება დნობის გარეშე.
ხელოვნური გრაფიტი მიიღება ნახშირის საუკეთესო კლასებიდან 3000°C ტემპერატურაზე ელექტრო ღუმელებში ჰაერის დაშვების გარეშე.
გრაფიტი თერმოდინამიკურად სტაბილურია ტემპერატურისა და წნევის ფართო დიაპაზონში, ამიტომ იგი მიღებულია ნახშირბადის სტანდარტულ მდგომარეობად. გრაფიტის სიმკვრივეა 2,265 გ/სმ 3 .
3. კარბინი - წვრილმარცვლოვანი შავი ფხვნილი. მის კრისტალურ სტრუქტურაში ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია მონაცვლეობით ერთჯერადი და სამმაგი ბმებით ხაზოვან ჯაჭვებში:
−С≡С−С≡С−С≡С−
ეს ნივთიერება პირველად მიიღო V.V. კორშაკი, ა.მ. სლადკოვი, ვ.ი. კასატოჩკინი, იუ.პ. კუდრიავცევი 1960-იანი წლების დასაწყისში.
შემდგომში ნაჩვენები იქნა, რომ კარაბინი შეიძლება არსებობდეს სხვადასხვა ფორმით და შეიცავს როგორც პოლიაცეტილენის, ასევე პოლიკუმულენის ჯაჭვებს, რომლებშიც ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია ორმაგი ბმებით:
C=C=C=C=C=C=
მოგვიანებით კარაბინი აღმოაჩინეს ბუნებაში - მეტეორიტის მატერიაში.
კარბინს აქვს ნახევარგამტარული თვისებები; სინათლის გავლენის ქვეშ, მისი გამტარობა მნიშვნელოვნად იზრდება. სხვადასხვა ტიპის ობლიგაციების არსებობისა და ნახშირბადის ატომების ჯაჭვების კრისტალურ გისოსებში დაწყობის სხვადასხვა გზების გამო, კარაბინის ფიზიკური თვისებები შეიძლება განსხვავდებოდეს ფართო დიაპაზონში. როდესაც თბება ჰაერზე წვდომის გარეშე 2000°C-ზე ზემოთ, კარაბინი სტაბილურია, დაახლოებით 2300°C ტემპერატურაზე შეინიშნება მისი გადასვლა გრაფიტზე.
ბუნებრივი ნახშირბადი შედგება ორი იზოტოპისგან
(98,892%) და (1,108%). გარდა ამისა, ატმოსფეროში აღმოაჩინეს რადიოაქტიური იზოტოპის მცირე მინარევები, რომლებიც ხელოვნურად არის მიღებული.ადრე ითვლებოდა, რომ ნახშირი, ჭვარტლი და კოქსი შემადგენლობით ახლოსაა სუფთა ნახშირბადთან და თვისებებით განსხვავდებიან ალმასის და გრაფიტისგან, წარმოადგენენ ნახშირბადის დამოუკიდებელ ალოტროპულ მოდიფიკაციას ("ამორფული ნახშირბადი"). თუმცა, აღმოჩნდა, რომ ეს ნივთიერებები შედგება უმცირესი კრისტალური ნაწილაკებისგან, რომლებშიც ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია ისევე, როგორც გრაფიტში.
4. ქვანახშირი - წვრილად დაყოფილი გრაფიტი. იგი წარმოიქმნება ნახშირბადის შემცველი ნაერთების თერმული დაშლის დროს ჰაერის დაშვების გარეშე. ნახშირი მნიშვნელოვნად განსხვავდება თვისებებით, რაც დამოკიდებულია ნივთიერებიდან, საიდანაც ისინი მიიღება და წარმოების მეთოდით. ისინი ყოველთვის შეიცავს მინარევებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ მათ თვისებებზე. ნახშირის ყველაზე მნიშვნელოვანი კლასებია კოქსი, ნახშირი და ჭვარტლი.
კოქსი მიიღება ნახშირის გაცხელებით ჰაერის არარსებობის შემთხვევაში.
ნახშირი წარმოიქმნება ჰაერის არარსებობის პირობებში ხის გაცხელებისას.
ჭვარტლი არის ძალიან წვრილი გრაფიტის კრისტალური ფხვნილი. იგი წარმოიქმნება ნახშირწყალბადების (ბუნებრივი აირი, აცეტილენი, ტურპენტინი და სხვ.) წვის დროს შეზღუდული ჰაერის წვდომით.
გააქტიურებული ნახშირბადები არის ფოროვანი სამრეწველო ადსორბენტები, რომლებიც ძირითადად შედგება ნახშირბადისგან. ადსორბცია არის აირების და გახსნილი ნივთიერებების ზედაპირის მიერ მყარი ნივთიერებების შეწოვა. აქტიური ნახშირბადი მიიღება მყარი საწვავისგან (ტორფი, ყავისფერი და მყარი ნახშირი, ანტრაციტი), ხისგან და მისი პროდუქტებისგან (ნახშირი, ნახერხი, ქაღალდის წარმოების ნარჩენები), ტყავის ინდუსტრიის ნარჩენები, ცხოველური მასალები, როგორიცაა ძვლები. ქვანახშირი, რომელიც ხასიათდება მაღალი მექანიკური სიძლიერით, იწარმოება ქოქოსის და სხვა თხილის ნაჭუჭებიდან, ხილის თესლიდან. ნახშირის სტრუქტურა წარმოდგენილია ყველა ზომის ფორებით, თუმცა, ადსორბციის სიმძლავრე და ადსორბციის სიჩქარე განისაზღვრება მიკროფორების შემცველობით გრანულების ერთეულ მასაზე ან მოცულობაზე. აქტიური ნახშირბადის წარმოებისას ნედლეული თავდაპირველად ექვემდებარება თერმულ დამუშავებას ჰაერის დაშვების გარეშე, რის შედეგადაც მისგან იხსნება ტენიანობა და ნაწილობრივ ფისები. ამ შემთხვევაში წარმოიქმნება ნახშირის დიდი ფოროვანი სტრუქტურა. მიკროფოროვანი სტრუქტურის მისაღებად გააქტიურება ხორციელდება ან გაზით ან ორთქლით დაჟანგვით, ან ქიმიური რეაგენტებით დამუშავებით.
