¿Qué es el carbono?

El nombre inglés de carbon proviene de la palabra latina "carbo" (carbón vegetal). Debido a que el carbono se encuentra naturalmente en la naturaleza, es uno de los primeros elementos químicos reconocidos por los humanos. Éste, junto con el hierro, el azufre, el cobre, la plata, el estaño, el antimonio, el oro, el mercurio, el plomo, etc., son elementos químicos que los antiguos reconocen desde hace mucho tiempo. El carbono es uno de los elementos básicos más ampliamente distribuidos en la naturaleza. El carbono que existe en estado libre en la naturaleza incluye el diamante, el grafito y el carbón. El descubrimiento y confirmación del elemento carbono pasó por un proceso largo y arduo y es un logro importante en la historia del desarrollo de la ciencia y la tecnología. La existencia del carbono elemental se remonta a hace unos 500.000 años en las ruinas de la zona de Zhoukoudian en Beijing. Desde que los humanos comenzaron a fabricar cerámica en el Neolítico, el negro de carbón se ha utilizado como pigmento negro para hacer cerámica negra. Durante el Período de los Reinos Combatientes (403 a. C. a 221 a. C.), mi país ya había utilizado carbón para fabricar hierro. A medida que se desarrolló la industria metalúrgica, la gente buscó un combustible más barato que el carbón vegetal y encontró carbón. Según la "Geografía Hanshu": "Las piedras producidas en el condado de Yuzhang (cerca de la actual ciudad de Nanchang, provincia de Jiangxi) pueden quemarse como combustible". El documento de la dinastía Han "Teoría de la sal y el hierro" dice: "Por lo tanto, el gran La industria de fundición de sal se basa en montañas y ríos. "Los arqueólogos chinos descubrieron carbón en el sitio de fundición de hierro Han en el condado de Pingling, Shandong, lo que indica que el carbón se usaba para producir hierro a principios de la dinastía Han. en el año 200 a.C. El carácter chino para carbono proviene de "carbón". Debido a que nuestro país llamaba al carbón "carbón vegetal" en la antigüedad, se le acuñó "carbono". A principios del siglo XIX, los científicos descubrieron que el carbono era el elemento más básico de los organismos vivos. ¿Seleccione el alcance de la búsqueda? ¿Catálogo de productos? ¿Compra de información? ¿Recursos humanos? Miembros del foro de la industria ¿Registro?|?Solicitud de nombre de dominio de segundo nivel?|?¿Qué puedo hacer?|?Manual del sitio web?|?Descarga del acuerdo?|?Reserva de publicidad?|?Oficina de correos corporativa?|?Biblioteca estándar?|?Acerca de nosotros?

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Propietario: shaoys?[2006-3-18?PM?02:49:53] Introducción al elemento carbono? El carbono, CARBONO, proviene del carbo, que es el carbón vegetal. Descubierto muy temprano, como se muestra en la imagen de arriba. Se muestra en sus tres formas naturales: diamante, carbón y piedra negra. Los innumerables compuestos del carbono son indispensables en nuestra vida diaria, con productos que van desde nailon y gasolina, perfumes y plásticos hasta betún para zapatos, DDT y explosivos.

Una breve historia del descubrimiento del carbono

Se puede decir que el carbono es uno de los primeros elementos con los que los humanos han entrado en contacto, y también es uno de los primeros elementos. que los humanos han utilizado. Desde que los humanos aparecieron en la tierra, han estado en contacto con el carbono. Debido a que los rayos hacen que la madera se queme, el carbón permanece. Después de que los animales mueren quemados, el carbono de los huesos permanece. Después de que los humanos aprendieron a encender el fuego, el carbono se convirtió en seres humanos. "socio" permanente, por lo que el carbono es un elemento conocido desde la antigüedad. Es imposible saber la fecha exacta del descubrimiento del carbono, pero en la "Tabla de los Elementos" compilada por Lavoisier (Lavoisier A.L. 1743-1794 Francia) en 1789 se puede ver que el carbono apareció como un elemento. El carbono jugó un papel importante en el desarrollo de la antigua teoría del flogisto, según la cual el carbono no era un elemento sino un flogisto puro. Lavoisier fue el primero en señalar que el carbono es un elemento.

Hay tres alótropos del carbono en la naturaleza: diamante, grafito y C60.

La gente conoce desde hace mucho tiempo el diamante y el grafito. Después de que Lavoisier realizó experimentos sobre la quema de diamante y grafito, determinó que ambas sustancias al quemarse producían CO2 y, por lo tanto, concluyó que el diamante y el grafito contienen la misma "base" llamada carbono. Fue Lavoisier quien incluyó por primera vez el carbono en la tabla periódica. El C60 fue descubierto en 1985 por el químico Harry Kraut y otros en la Universidad Rice de Houston. Es una molécula de carbono estable y esférica compuesta por 60 átomos de carbono. Es el tercer tipo de carbono después del diamante y el grafito.

El nombre latino del carbono, Carbonium, proviene de la palabra Carbon, que significa "carbón". Apareció por primera vez en el libro "Nomenclatura química" compilado por Lavoisier y otros en 1787. El nombre inglés del carbono es Corbon.

Carbón elemental La fracción masiva del carbono en la corteza terrestre es del 0,027% y se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza. El carbono que existe en forma de compuestos incluye carbón, petróleo, gas natural, animales y plantas, piedra caliza, dolomita, dióxido de carbono, etc.

A finales de 1998, el número total de compuestos registrados en el United States Chemical Abstracts, el mayor resumen químico del mundo, era de 18,8 millones, la gran mayoría de los cuales son compuestos de carbono.

Como todos sabemos, las unidades básicas de la vida, los aminoácidos y los nucleótidos, se derivan del carbono como esqueleto. Primero, las cadenas de carbono se alargaron una por una, evolucionando hacia proteínas y ácidos nucleicos; luego evolucionaron células individuales primitivas y luego evolucionaron hasta convertirse en insectos, peces, aves, bestias, monos, orangutanes e incluso humanos. El tema principal de esta sinfonía de vida de tres a cuatro mil millones de años es la evolución química del carbono. Se puede decir que sin carbono no habría vida. El carbono es la columna vertebral del mundo vivo.

Hay tres tipos de carbono elemental puro: diamante, grafito y C60. Son los tres alótropos del carbono.

Diamante

Grafito

Carbono 60

Diamante

El diamante es cristalino, hermoso y deslumbrante, y Es el producto natural de la naturaleza. El mineral más duro. Es la más dura de todas las sustancias. El método de caracterización para medir la dureza de una sustancia estipula que la dureza del diamante es 10 para medir la dureza de otras sustancias. Por ejemplo, la dureza del Cr es 9, el Fe es 4,5, el Pb es 1,5, el sodio es 0,4, etc. Entre todos los elementos, tiene el punto de fusión más alto, alcanzando los 3823K.

El cristal de diamante pertenece al sistema cristalino cúbico y es un cristal atómico típico. Cada átomo de carbono forma un enlace valencia con otros cuatro átomos de carbono en una órbita híbrida sp3 para formar un tetraedro regular. Esta es la estructura de la celda unitaria cúbica centrada en las caras del diamante.

Debido a que el enlace C-C en el cristal de diamante es muy fuerte, todos los electrones de valencia participan en la formación de enlaces de valencia *** y no hay electrones libres en el cristal, por lo que el diamante no solo es duro y Tiene un alto punto de fusión, pero tampoco es conductor.

A temperatura ambiente, el diamante es inerte a todos los reactivos químicos, pero puede quemarse y convertirse en CO2 cuando se calienta a aproximadamente 1100 K en el aire.

El diamante se conoce comúnmente como diamante. Además de usarse como decoración, se utiliza principalmente para fabricar brocas y herramientas abrasivas para taladrar. Es una importante materia prima industrial moderna y es muy costosa.

Grafito

El grafito es negro y blando y es el mineral más blando del mundo. La densidad del grafito es menor que la del diamante y su punto de fusión es sólo 50 K menor que el del diamante, que es 3773 K.

En los cristales de grafito, los átomos de carbono utilizan orbitales híbridos sp2 para formar enlaces simples ***valentes con tres átomos de carbono adyacentes, formando una estructura de red plana hexagonal, y estas estructuras de red están conectadas en una estructura de capas. Cada átomo de carbono en la capa tiene un orbital p restante que no ha participado en la hibridación sp2, en la que hay un electrón p desapareado. Los electrones m en este átomo de carbono en la misma capa forman un enlace ∏ grande con el m. electrón central). Estos electrones deslocalizados pueden moverse por toda la capa plana del átomo de carbono, por lo que el grafito tiene buenas propiedades de conductividad eléctrica y térmica en la dirección de la capa.

Las capas de grafito están unidas por fuerzas intermoleculares, por lo que el grafito se desliza fácilmente y se agrieta en la dirección paralela a las capas. El grafito es suave y lubricante.

Debido a la existencia de electrones libres en la capa de grafito, las propiedades químicas del grafito son ligeramente más activas que las del diamante.

Debido a que el grafito puede conducir electricidad, es químicamente inerte, resistente a altas temperaturas y fácil de moldear y mecanizar, el grafito se usa ampliamente para fabricar electrodos, termopares de alta temperatura, crisoles, cepillos, lubricantes y minas para lápices. .

Carbono 60

A mediados de la década de 1980, se descubrió el tercer alótropo del carbono, el C60. Presentamos el C60 desde los siguientes tres aspectos

El descubrimiento y las características estructurales del carbono 60

La preparación del carbono 60

Los usos del carbono 60

El descubrimiento y las características estructurales del carbono 60

El 7 de octubre de 1996, la Real Academia Sueca de Ciencias decidió conceder el Premio Nobel de Química 1996 a Robert FCurl, Jr (EE.UU.) y Harold WKroto (Reino Unido) y Richard E Malley (EE.UU.) por su descubrimiento del C60.

A principios de septiembre de 1995, en el Laboratorio Smalley de la Universidad Rice en Texas, Kroto y otros realizaron una vaporización láser de grafito para simular el proceso de formación de grupos de átomos de carbono en la atmósfera cerca de la gigante roja de tipo N. experimento de estrellas. A partir del espectro de masas obtenido, encontraron que existe una serie de moléculas formadas por un número par de átomos de carbono, entre las cuales hay un pico que es de 20 a 25 veces más fuerte que otros picos. El número de masa de este pico corresponde al. Masa formada por 60 átomos de carbono de moléculas.

¿Qué estructura tiene la molécula C60 para ser estable? El grafito en capas y el diamante con estructura tetraédrica son dos formas estables de carbono. Cuando se organizan 60 átomos de carbono en cualquiera de estas formas, habrá muchos enlaces colgantes, que serán muy activos y no producirán una señal de espectro de masas tan estable. Esto demuestra que las moléculas de C60 tienen una estructura completamente diferente a la del grafito y el diamante. Inspirándose en los edificios con cúpulas arqueadas compuestas de pentágonos y hexágonos del arquitecto Buckminster Fuller, Kroto et al creen que C60 es un edro esférico de 32 compuestos por 60 átomos de carbono, es decir, está compuesto por 12 pentágonos y está compuesto por 20. Sólo así la molécula C60 no tiene enlaces colgantes.

En la molécula C60, cada átomo de carbono está conectado a tres átomos de carbono adyacentes con orbitales híbridos sp2, y el orbital p restante sin hibridar está en la periferia y la cavidad interna de la capa esférica de C60. ∏ enlaces, dando como resultado propiedades aromáticas. Para conmemorar a Fuller, propusieron nombrar C60 en honor a Buckminsterfullereno. Más tarde, todas las moléculas que contenían un número par de carbonos, incluido el C60, se denominaron colectivamente Fuller, que se tradujo como fullereno.

Preparación del carbono sesenta

Se utiliza grafito puro como electrodo y se descarga en una atmósfera de helio. El hollín generado en el arco se deposita en la pared interior del reactor refrigerado por agua. Este hollín Hay una mezcla de grupos de carbono como C60 y C70.

Utilice el método de extracción para separar y purificar el fullereno del hollín. Coloque el hollín en un extractor Soxhlet y extráigalo con tolueno o benceno. Los componentes principales del extracto son C60 y C70, y una pequeña cantidad de. C84 y C78. Luego use cromatografía líquida para separar el extracto y obtener una solución C60 pura. La solución C60 es de color rojo púrpura y cuando se evapora el disolvente se obtienen microcristales de C60 de color rojo oscuro.

Los usos del carbono 60

En poco más de diez años desde el descubrimiento del C60, los fullerenos han afectado ampliamente a la física, la química, la ciencia de los materiales y la electrónica, la biología y la medicina en diversos ámbitos. campos, lo que ha enriquecido y mejorado enormemente las teorías científicas, y también mostró enormes perspectivas potenciales de aplicación.

Según los informes, las moléculas de C60 están dopadas de modo que las moléculas de C60 capturan otros átomos o grupos dentro o fuera de sus jaulas para formar derivados similares al C60. Por ejemplo, C60F60 consiste en fluorar completamente las moléculas de C60, agregar átomos de flúor a la superficie esférica de C60 y "bloquear" todos los electrones en la capa esférica de C60 para que no se combinen con otras moléculas. Por lo tanto, C60F60 muestra que no lo es. Fácil de adherir a otras sustancias. Tiene mejor lubricidad que el C60 y puede usarse como un lubricante súper resistente a altas temperaturas. Se considera una "bola molecular". Por poner otro ejemplo, agregar átomos metálicos como K, Cs y Tl a la jaula de la molécula C60 puede hacer que tenga propiedades superconductoras. Un motor fabricado con este material requiere sólo una pequeña cantidad de electricidad para mantener el rotor girando. Además, los hidrocarburos como el C60H60, que tienen grandes masas moleculares relativas, tienen poderes caloríficos extremadamente altos y pueden utilizarse como combustible para cohetes. etc.

Características de enlace del carbono

El carbono es el primer elemento del grupo IVA de la tabla periódica de elementos. Se sitúa entre los elementos halógenos más no metálicos y los más alcalinos metálicos. entre metales. Su estructura de capa de electrones de valencia es 2s22p2. No es fácil perder ni ganar electrones durante las reacciones químicas, lo que dificulta la formación de enlaces iónicos. En cambio, forma un enlace de valencia *** único. Su valencia *** más alta aparentemente 4. .

Hibridación Sp3 de átomos de carbono

Hibridación Sp2 de átomos de carbono

Hibridación Sp de átomos de carbono-1

Hibridación Sp de átomos de carbono -2

Hibridación sp3 de átomos de carbono

La hibridación sp3 de átomos de carbono puede generar enlaces 4 δ para formar una configuración tetraédrica regular. Por ejemplo, diamante, metano CH4, tetracloruro de carbono CCl4, etano C2H6, etc.

En la molécula de metano, los 4 orbitales híbridos sp3 del átomo de C y los 4 átomos de H generan 4 enlaces de valencia δ***, y la configuración molecular es una estructura tetraédrica regular.

Hibridación sp2 de átomos de carbono

La hibridación sp2 de átomos de carbono genera 3 enlaces δ, 1 enlace ∏ y una configuración triangular plana. Por ejemplo, grafito, COCl2, C2H4, C6H6, etc.

En la molécula de COCl2, el átomo de C utiliza 3 orbitales híbridos sp2 para generar 1 enlace de valencia δ*** con 2 átomos de Cl y 1 átomo de O respectivamente, y no participa en la hibridación. El electrón en la órbita p del átomo de O tiene la misma simetría. El electrón p en la órbita p genera un enlace de valencia ∏***, por lo que hay una valencia *** entre los átomos de C y O. Configuración molecular de doble enlace. es un triangulo plano.

Hibridación sp de átomos de carbono -1

Genera 2 enlaces δ, 2 enlaces ∏, configuración lineal. Por ejemplo CO2, HCN, C2H2, etc.

En la molécula de CO2, el átomo de C utiliza 2 orbitales híbridos sp para formar 2 enlaces de valencia δ*** con 2 átomos de O respectivamente, y sus 2 orbitales p no hibridados son Los dos electrones p forman dos grandes ∏ se une con tres centros y cuatro electrones respectivamente con los tres electrones p en los dos orbitales P de los dos átomos de O con la misma simetría, por lo que el CO2 son dos dobles enlaces.

En la molécula de HCN, además de generar 1 enlace de valencia δ*** con átomos de H y N respectivamente, el átomo de C también genera 2 enlaces de valencia normales ∏*** con átomos de N, por lo que hay uno enlace simple y un enlace triple en la molécula de HCN.

Hibridación sp de átomos de carbono-2

Genera 1 enlace δ, 1 enlace ∏, 1 enlace ∏ de coordinación y 1 par de electrones libres, configuración lineal. Por ejemplo, en la molécula de CO, además de generar un enlace de valencia δ*** y un enlace de valencia ∏*** normal entre el átomo de C y el átomo de O, el orbital p vacío no hibridado del átomo de C puede aceptar de un par de Los pares de electrones solitarios del átomo de O forman un enlace ∏ de coordinación, por lo que hay un triple enlace entre C y O en la molécula de CO, y también hay un par de pares de electrones solitarios.

Los átomos de carbono no sólo pueden formar enlaces simples, dobles y triples, sino que también pueden formar largas cadenas lineales, cadenas cíclicas, cadenas ramificadas, etc. entre átomos de carbono. Entrecruzados y en constante cambio, combinados con átomos de hidrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y metales, forman una amplia variedad de compuestos de carbono.

Dióxido de carbono

El CO2 es un gas incoloro e inodoro que representa aproximadamente el 0,03 % en la atmósfera y el 0,014 % en el océano. También existe en las eyecciones volcánicas y en algunos casos en la primavera. agua. El gas CO2 en el suelo proviene principalmente de la combustión de carbón, petróleo, gas natural y otros compuestos que contienen carbono, la descomposición de minerales de carbonato de calcio, la respiración animal y los procesos de fermentación. Cuando la luz del sol atraviesa la atmósfera, el CO2 absorbe rayos infrarrojos con longitudes de onda de 13 a 17 nm, lo que es como cubrir la tierra con una enorme película plástica, reteniendo los rayos infrarrojos cálidos y evitando que se pierdan, haciendo de la tierra un lugar donde la temperatura La diferencia entre el día y la noche no es demasiado grande. El efecto invernadero del CO2 proporciona un entorno confortable para la vida. También proporciona los materiales básicos para la vida y es la materia prima de las plantas verdes para realizar la síntesis de luz. Cada año, mediante la acción de la luz, las plantas verdes convierten 1,5 billones de toneladas de carbono contenido en CO2 en la atmósfera en celulosa, almidón y proteínas, y liberan gas O2 para consumo de animales y humanos.

Las plantas verdes siempre han mantenido el equilibrio de O2 y CO2 en la atmósfera, sin embargo, en los últimos años, con el rápido desarrollo de la industria en todo el mundo y la consiguiente contaminación marina, ha habido cada vez más CO2. en la atmósfera Según se estima, el aumento es de aproximadamente 2 a 4 partes por millón por año.

Se cree que este es un factor importante en el aumento general de las temperaturas mundiales.

Sobre el CO2, lo presentaremos desde tres aspectos: su estructura, propiedades y preparación:

La estructura del dióxido de carbono

Las propiedades del dióxido de carbono

Preparación del dióxido de carbono

Estructura del dióxido de carbono

En la molécula de CO2, los átomos de carbono utilizan orbitales híbridos sp para unirse con los átomos de oxígeno.

Los dos orbitales híbridos sp del átomo de C generan dos enlaces delta con un átomo de O respectivamente. Los dos orbitales p no hibridados del átomo de C están en ángulo recto con el orbital híbrido sp y se superponen uno al lado del otro con los orbitales p del átomo de oxígeno, formando dos enlaces deslocalizados con tres centros y cuatro electrones. Por lo tanto, la distancia entre los átomos de carbono y oxígeno se acorta, de modo que el enlace carbono-oxígeno en el CO2 tiene un cierto grado de características de triple enlace. Lo que determina la forma de la molécula es el orbital híbrido sp, y el CO2 es una molécula lineal.

Propiedades del dióxido de carbono

Las moléculas de CO2 no tienen polaridad, por lo que la fuerza intermolecular es pequeña, el punto de fusión y ebullición es bajo, la energía de enlace es grande, la fuerza interatómica es fuerte , y las moléculas tienen una alta estabilidad térmica. Por ejemplo, a 2273 K, el CO2 solo se descompone un 1,8%:

El CO2 tiene una temperatura crítica alta y es fácil de licuar cuando se presuriza. El calor de vaporización del CO2 líquido es muy alto, 25,1 kJ·mol-1. a 217K. Cuando el CO2 líquido se evapora libremente, parte del CO2 se condensa en un sólido parecido a un copo de nieve, que se conoce comúnmente como "hielo seco". Es un cristal molecular. Bajo presión normal, el hielo seco se sublima y vaporiza directamente a 194,5 K sin derretirse, por lo que a menudo se utiliza como refrigerante.

El CO2 es un óxido ácido y puede reaccionar con álcalis. Industrialmente, se consume una gran cantidad de CO2 en la producción de carbonato de sodio Na2CO3, bicarbonato de sodio NaHCO3, bicarbonato de amoníaco NH4HCO3, pigmento blanco de plomo Pb(OH)22PbCO3, cerveza, bebidas, hielo seco, etc.

En general, el CO2 no favorece la combustión. Cuando el contenido de CO2 en el aire alcanza el 2,5%, la llama se apagará. Por tanto, el CO2 es actualmente un agente extintor de incendios muy utilizado. Sin embargo, la barra de magnesio que se quema puede seguir ardiendo en gas CO2, lo que significa que el CO2 no favorece la combustión. También es relativo:

El CO2 no es activo, pero puede reaccionar con el carbono o metales activos como este. como magnesio y plomo a altas temperaturas:

Aunque el CO2 no es tóxico, si el contenido en el aire es demasiado elevado, puede provocar riesgo de asfixia por falta de oxígeno. Las personas deben sostener una vela encendida al entrar al sótano. Si la vela se apaga, significa que la concentración de CO2 en el sótano es demasiado alta y no es adecuado entrar temporalmente.

Preparación de dióxido de carbono

En la industria, la piedra caliza calcinada se puede utilizar para producir cal y se puede obtener una gran cantidad de CO2 como subproducto a través de la industria cervecera.

En el laboratorio se utilizan habitualmente carbonato y ácido clorhídrico para preparar CO2:

Monóxido de carbono

El CO también es un gas incoloro e inodoro. estructura, propiedades y métodos de preparación.

Estructura del CO

Propiedades del CO

Preparación del CO

Estructura del CO

Según hibridación Teoría orbital, en la molécula de CO, el átomo de carbono adopta la hibridación sp para unirse con el átomo de oxígeno.

Los dos electrones p del átomo de C pueden formar un enlace δ y un enlace ∏ con los dos electrones p individuales del átomo de O. Los electrones p emparejados en el átomo de O también pueden interactuar con el átomo de C. Un orbital 2p vacío forma un enlace de coordinación. (Definición de enlace de coordinación: un enlace de valencia formado por un átomo que proporciona un par de electrones para uso de dos átomos se llama enlace de coordinación). Utilice ← para representar un enlace, y la flecha apunta al átomo que acepta el par de electrones. El par de electrones que forman el enlace aquí los proporciona el átomo de O solo, y el átomo de C proporciona una órbita vacía para aceptar los electrones. Su fórmula estructural se puede expresar como:

Según la teoría de los orbitales moleculares, en el diagrama de niveles de energía de los orbitales moleculares de la molécula de CO se puede ver que hay 4 electrones de valencia fuera del núcleo del átomo de C, y su fórmula estructural electrónica es 2s22p2. Hay 6 electrones de valencia y su fórmula de estructura electrónica es 2s22p4. Dado que las energías orbitales atómicas correspondientes de los átomos de C y O son similares, se superponen entre sí para formar el orbital molecular de la molécula de CO. La fórmula estructural del enlace de valencia de la molécula de CO se puede expresar como:

[1] Las flechas en la fórmula representan el enlace de valencia formado por el oxígeno que proporciona unilateralmente un par de electrones para el uso de dos átomos. llamado vínculo de coordinación.

[2] En la fórmula, significa ∏ enlace de coordinación. Si los dos puntos están en un lado, significa que el electrón está en la órbita del átomo de oxígeno en el estado atómico. Molécula de CO, también está relativamente cerca del núcleo de oxígeno.

Esta estructura de triple enlace que contiene enlaces de coordinación puede explicar satisfactoriamente el hecho de que la energía del enlace es grande, la longitud del enlace es corta y el momento dipolar es casi igual a cero. Si no existe un enlace de coordinación, el CO debería ser una molécula muy polar, porque la electronegatividad del átomo de O es mucho mayor que la del átomo de C. Sin embargo, la existencia del enlace de coordinación hace que el átomo de O esté ligeramente cargado positivamente y el de C. Átomo ligeramente cargado. Con una carga negativa, los dos factores se cancelan entre sí, por lo que el momento dipolar del CO es casi igual a cero.

Las moléculas de CO y las moléculas de N2 tienen cada una 10 electrones de valencia. Son cuerpos isoelectrónicos, también conocidos como moléculas isoelectrónicas. La configuración electrónica y las condiciones y propiedades de enlace de los orbitales moleculares isoelectrónicos son muy similares.

En la molécula de CO, debido a que el átomo de C tiene una ligera carga negativa, es más fácil para este átomo de C proporcionar pares de electrones a otros átomos con orbitales vacíos para formar enlaces de coordinación y generar muchos compuestos carbonílicos. Esta es también una de las razones por las que, aunque la energía de enlace de las moléculas de CO es mayor que la de las moléculas de N2, es más activa.

Propiedades del CO

(1) El CO es un buen agente reductor

A altas temperaturas, el CO se puede extraer de muchos óxidos metálicos. El oxígeno reduce los metales. El coque se utiliza como agente reductor en la industria metalúrgica, pero el CO en realidad desempeña un papel importante:

A temperatura ambiente, el CO también puede reducir los iones metálicos en algunos compuestos. Por ejemplo: el CO puede volver negra la solución de dicloruro de paladio y la solución de plata y amoníaco. La reacción es muy sensible y puede usarse para detectar la presencia de trazas de CO:

El CO es un ligando importante con el que puede interactuar. Muchos metales de transición. Por ejemplo, Fe(CO)5, Ni(CO)4, Cr(CO)6, etc. Tomamos Ni(CO)4 como ejemplo para ilustrar las características de enlace de los compuestos carbonílicos.

En los compuestos carbonílicos metálicos, el CO está unido al metal con C. Por el diagrama de niveles de energía de los orbitales moleculares del CO ya sabemos que, por un lado, el CO tiene pares de electrones no enlazantes (pares de electrones solitarios), que pueden asignarse a orbitales vacíos de átomos metálicos para formar enlaces de coordinación delta. Por otro lado, el CO también tiene un canal ∏ antienlazante vacío que puede aceptar el par de electrones d del átomo metálico y superponerse con el orbital d del átomo metálico para formar un enlace ∏. Este enlace ∏ es una donación unilateral de pares de electrones por parte de átomos metálicos a la órbita vacía del ligando (CO), por lo que se denomina enlace de retroalimentación o enlace ∏ de coordinación. Los enlaces de retroalimentación pueden simplemente reducir la acumulación de cargas negativas excesivas en los átomos metálicos causada por la formación de enlaces delta.

En los compuestos carbonílicos, el metal se encuentra en un estado de oxidación bajo y tiene más electrones de valencia, lo que favorece la formación de enlaces de retroalimentación. Por ejemplo, en Ni(CO)4, el átomo de Ni tiene valencia cero y el electrón de valencia es 3d84s2. El átomo de Ni adopta el orbital híbrido sp3 para aceptar los pares de electrones no enlazantes proporcionados por 4 CO para formar un enlace de coordinación delta. Además, el par de electrones d del átomo de Ni se retroalimenta al orbital antienlazante vacío ∏* del CO para generar un enlace de retroalimentación. Dado que las dos interacciones de enlace del enlace de coordinación δ y el enlace de retroalimentación se llevan a cabo al mismo tiempo, el compuesto carbonílico generado por el metal y el CO tiene una alta estabilidad.

Los compuestos carbonílicos son generalmente muy tóxicos. La alta toxicidad del CO para los animales y los humanos también se debe a su efecto aditivo. Puede combinarse con el hemo (un complejo de Fe) en la sangre para formar compuestos carbonílicos, lo que hace que la sangre pierda su función de transportar oxígeno y provoque hipoxia tisular. Síntomas, si el 50% del hemo en la sangre se combina con CO, puede causar necrosis miocárdica. Mientras haya una proporción de volumen de CO de 1/800 en el aire, una persona puede morir en media hora. (1aroman?, el CO es muy reactivo y puede combinarse fácilmente con O, S, H y halógenos F2, Cl2, Br2.

①El CO puede arder en el aire para generar CO2 y liberar mucho calor:

②CO reacciona con H2 para generar metanol y ciertos compuestos orgánicos:

③CO reacciona con S para generar sulfuro de carbonilo:

④CO reacciona con halógenos F2 y Cl2, Br2 La reacción puede producir haluro de carbonilo, que se descompone fácilmente con el agua y reacciona con el amoníaco para formar urea:

El cloruro de carbonilo, también conocido como "fosgeno", es extremadamente venenoso. Se produce en grandes cantidades para producir tolueno. diisocianato, un intermediario en la producción de plásticos de poliuretano.

Preparación de CO

Métodos para preparar gas CO en el laboratorio:

(1) Se añade ácido fórmico gota a gota a ácido sulfúrico concentrado caliente para la deshidratación:

(2) Calentar cristales de ácido oxálico y ácido sulfúrico concentrado:

Vierta el gas mixto generado en la reacción a través de NaOH sólido para absorber CO2 y obtener gas CO puro.

Métodos de preparación de gas CO en la industria:

Las principales fuentes de CO en la industria son el gas de agua, el gas de generador y el gas de carbón.

El gas agua es una mezcla equimolecular de CO y H2, que se obtiene cuando se hace pasar alternativamente aire y vapor de agua por la capa de carbono al rojo vivo:

El gas productor es CO y H2 Se obtiene una mezcla de N2 (CO que representa la mitad del volumen) mediante la reacción de una cantidad limitada de aire que pasa a través de una capa de carbón al rojo vivo:

El gas de carbón es una mezcla de CO, H2, CH4 y CO2. El gas de agua, el gas de producción y el gas de carbón son importantes combustibles gaseosos industriales.

Ácido carbónico y carbonatos

El CO2 se puede disolver en agua para formar ácido carbónico H2CO3. El ácido carbónico es un ácido débil que sólo existe en solución acuosa, con un pH aproximado de 4.

El H2CO3 es un ácido dibásico y puede producir dos tipos de sales: carbonato y bicarbonato.

En ambos iones, el átomo de C adopta una órbita híbrida sp2 y genera cuatro enlaces con cuatro electrones externos, y los iones son triángulos planos. Es importante comprender la solubilidad, hidrolización y estabilidad térmica de estos dos tipos de sales en agua.

Solubilidad

Hidrolización

Estabilidad térmica

Solubilidad

Carbonatos: amonio y Carbonatos de metales alcalinos (excepto Li) son fácilmente solubles en agua. Los carbonatos de otros metales son poco solubles en agua. Por ejemplo, (NH4)2CO3, Na2CO3, K2CO3, etc. son fácilmente solubles en agua, mientras que CaCO3, MgCO3, etc. son difíciles de disolver en agua.

Bicarbonato: Para los carbonatos insolubles, el bicarbonato correspondiente tiene mayor solubilidad. Por ejemplo, los minerales de carbonato de calcio poco solubles pueden transformarse parcialmente en Ca(HCO3)2 y disolverse bajo erosión a largo plazo por CO2 y agua:

Para los carbonatos fácilmente solubles, sus correspondientes sales de hidrógeno de ácido carbónico tienen relativamente baja solubilidad. Por ejemplo, al pasar CO2 a una solución concentrada de carbonato de amonio hasta que se sature, se puede precipitar NH4HCO3, que es la base para la producción industrial de fertilizantes de carbonato de amonio.

La solubilidad anormal se debe a la formación de cadenas biméricas o poliméricas por iones HCO3- mediante enlaces de hidrógeno:

Hidrolización

Carbos de metales alcalinos y amonio Ambos ácidos las sales y los bicarbonatos se vuelven fuertemente alcalinos y débilmente alcalinos respectivamente debido a la hidrólisis en soluciones acuosas:

Cuando se añaden iones CO32- a soluciones de sales metálicas (excepto sales de metales alcalinos y de amonio), el producto puede ser carbonato, carbonato o hidróxido básico. ¿Qué producto es? En términos generales:

(1) Los iones de hidróxido con fuerte alcalinidad, es decir, iones metálicos que no se hidrolizan, pueden precipitar en carbonatos. Por ejemplo:

(2) El hidróxido es un ion débilmente alcalino, como Cu2+, Zn2+, Pb2+, Mg2+, etc. La solubilidad de su hidróxido y carbonato es similar, por lo que puede precipitar en un álcali. carbonato de fórmula. Por ejemplo:

(3) Los iones metálicos fuertemente hidrolizables, especialmente los anfóteros, cuyo producto de solubilidad del hidróxido es pequeño, como Al3+, Cr3+, Fe3+, etc., precipitarán en hidróxidos. Por ejemplo:

Así, el carbonato de sodio y el carbonato de amonio se utilizan a menudo como precipitantes de iones metálicos.

Estabilidad térmica

La inestabilidad térmica es una propiedad importante de los carbonatos. En términos generales, existe el siguiente orden de estabilidad térmica:

Metales alcalinos Carbonatos>Alcalinotérreos. carbonatos metálicos>Carbonatos de elementos de subgrupo y elementos de transición

En los grupos de metales alcalinos y alcalinotérreos, carbonatos con radio catiónico grande>carbonatos de radio catiónico pequeño.

La facilidad de descomposición térmica del carbonato también está relacionada con la polarización de los cationes.