Јаглеродот и неговите соединенија

1. ПРЕДМЕТ И ЦЕЛ

Предмет на истражување на овој труд е јаглеродот (carbonium), како еден од поважните и значајни елементи на периодниот систем со атомски број 6.

Целта  е преку мноштво примери, обиди и факти на  многу сликовит начин да се прикаже еден од претставниците на неметалите – јаглеродот, како и неговите соединенија, важност и примена.

2. МЕТОДИ

Во текот на моето истражување користени се повеќе методи со цел да се овозможи детално подреден и суштински приказ на информациите. Едни од позначајните со чија помош се доби поцелосно сознание за горенаведената цел се:  историскиот метод во поглед на запознавање и пронаоѓање на јаглеродот како супстанција, понатаму, логичкиот метод , аналитичкиот метод, методот на индукција и логичко заклучување преку претставување на една целосна слика од составот, добивањето и својствата на јаглеродот и неговите соединенија.

3. ВОВЕД

Постојат 117 различни елементи. Три четвртини од нив се метали, додека една четвритна се неметали. Металите и неметалите имаат различни својства. Елементите се подредени во периодниот систем врз основа на градбата на атомите на елементите. Редниот број на елементот во периодниот систем е бројот на протоните во јадрото на тој елемент. Тој едновремено го означува и вкупниот број на електроните во атомот на односниот елемент. Неверојатниот јаглерод формира повеќе соединенија од кој било друг елемент. Покрај тоа што сочинува голем дел од нас, исто така, е значителен составен дел на секое живо суштество на земјата - од вируси, каде што егзистира на самите граници на животот, и огромниот број „микроби“ (археи, бактерии, и протисти) до фунги, растенија, животни, па дури и најнапредните од сите живи суштества, птиците. Јаглеродот е толку напреден елемент што е единствениот што може сам на себе да се “восхитува”.

4. Јаглеродот и неговите соединенија

4.1. Јаглерод (carbonium)

Во природата, хемискиот елемент јаглерод се наоѓа во слободна и во сврзана состојба. Слободниот јаглерод се наоѓа во два прости облика, односно има две алотропски модификации: графит и дијамант. Во сврзана состојба јаглеродот се наоѓа во вид на различни соединенија со другите елементи. Тој влегува во состав на различни супстанции што ги градат организмите на растенијата, животните, човекот. Јаглеродот во вид на јаглерод диоксид се наоѓа во воздухот и растворен во водата. Тој се наоѓа и во составот на соединенијата што ги градат различни материјали и карпите, како што се: варовникот, мермерот, магнезитот, кредата и др. Јаглеродот влегува во состав на природните јаглени, нафтата, земните гасови и други.

4.2. Прости облици на јаглеродот – графит и дијамант

Сите алтернативни форми на јаглеродот се познати како алотропи. Тие се супстанции кои го имаат истиот атомски состав (јаглерод), но поединечните компоненти, самите јаглеродни атоми, се различно наредени. Бидејќи јаглеродот има четири неспарени електрони во својата надворешна електронска обвивка, формира четири врски. 

Графит

Простиот облик на јаглеродот, графитот е мошне позната супстанца, иако не е сосем чиста. Црнките на моливите се направени од графит на тој начин што неговиот прав се меша со глина и се замесува со вода во густо тесто, кое потоа се пренесува во тенки прачки – црнки.  До колку моливот е помек, до толку во него има повеќе графит, а помалку глина.

Графитот е кристална супстанција со црносива боја, доста е мек и има метален сјај. Изграден е од атоми на јаглерод кои се правилно распоредени. Тој добро спроведува топлина и електрицитет. Поради своите својства, графитот наоѓа соодветна примена во техниката. Покрај примената на графитот за изработка на моливи, тој служи и за правење садови во кои се топат металите со висока точка на топење и се изведуваат хемиски реакции на високи температури. Графитот служи за изработка на електроди, како и за приготвување на средства за подмачкување на деловите на машините што работат при високи температури за да се намали триењето.

Дијамант

Дијамантот многу ретко се наоѓа во природата. Според својот надворешен изглед и според својствата, дијамантот сосема се разликува од графитот. Чистиот дијамант е во вид на безбојни и проѕирни кристали, коишто силно ја прекршуваат и распрснуваат светлина. Поради тоа имаат убав сјај. Дијамантот е досега најтврдата позната супстанција. Иако е многу тврд, тој е прилично кршлив и може да се здроби во прав. Изграден е од атоми на јаглерод кои се правилно распоредени, но на поинаков начин во споредба со графитот. Дијамантот не е спроводник на електричество. Кога дијамантот ќе се запали на воздух, тој наполно согорува во јаглерод диоксид. Тоа е доказ дека дијамантот е чист јаглерод. Ако дијамантот се загрева на температура од 1500°C без пристап на воздух, тогаш минува во графит.

4.3. Јаглерод диоксид - CO₂

Јаглерод диоксидот (хемиска формула: CO₂) e хемиско соединение составено од два кислородни атоми и еден атом на јаглерод. Јаглеродниот диоксид - CO₂ се наоѓа во воздухот околу 0,03% волуменски. Јаглеродот диоксид настанува секогаш кога горат дрва, јаглен, петролеј, нафта и други супстанции што содржат јаглерод. Исто така јаглеродот диоксидот секогаш настанува при гниењето на органските соединенија, како и при алкохолното вриење на шеќерите.  

Количеството на јаглерод диоксидот во воздухот е постојано бидејќи покрај овие процеси при коишто тој се создава едновремено во природата се одвиваат и процеси при коишто се троши. Меѓу овие процеси особено се важни оние што се одвиваат во зелените растенија. Тие го земаат јаглеродниот диоксид од воздухот и преку водата, а преку учеството на сончевата светлина и хлорофилот (зелената боја на растенијата) изградуваат скроб, шеќер и целулоза. При тоа, растенијата го ослободуваат кислородот во воздухот (процес наречен хлорофилна асимилација). Поголеми количества јаглерод диоксид излегуваат од пукнатините во земјата во вулканските краишта. Во некои природни пештери исто така се собираат и излегуваат поголеми количества јаглерод диоксид.

4.4. Добивање и својства на јаглерод диоксидот

Во лабораторија јаглерод диоксидот најдобро би можел да се добие од мермер и хлороводородна киселина во посебна, едноставна апаратура. За таа цел, се става во епрувета неколку парчиња бел мермер, а потоа се додава онолку разредена хлороводородна киселина колку што е потребно да се покрие мермерот. Реакцијата веднаш започнува да се развива со одделување на меурчиња од гас. Крајот на цевката се внесува во друга епрувета со варовна вода. Набргу варовната вода ќе се замати.

Овој обид покажува дека кога ќе дојдат во допир мермерот и хлороводородната киселина, меѓу нив настанува реакција, при што се одделува безбоен гас – јаглерод диоксид. Оваа реакција се претставува на следниот начин:

CaCO₃ + 2HCl→ CaCl₂ + CO₂+ H₂O

Заматувањето на варовната вода настанува како резултат на реакцијата меѓу јаглерод диоксид и калциум хидроксидот, при што се создава бел, нерастворлив талог од соединението калциум карбонат

CO₂ + Ca(OH)₂→ CaCO₃+ H₂O

Во големи количества, за индустриски потреби, јаглерод диоксидот се добива со загревање на камен варовник на висока температура. Варовникот се разложува при што настанува калциум оксид или негасена вар што останува во печката, а јаглерод диоксидот што се одделува излегува:

CaCO₃→ CaO +CO₂

Јаглерод диоксидот е потежок од воздухот. Исто така, јаглерод диоксид не го поддржува горењето. Тој многу лесно се раствора во вода. Јаглеродниот диоксид има кисел вкус. Кога тој се раствора во вода под зголемен притисок тогаш растворливоста му се зголемува. На тој начин се полнат сифони со сода – вода, а тоа е растворен јаглерод диоксид во вода под притисок. Во природните кисели води се наоѓа растворен јаглерод диоксид. Тој се наоѓа растворен и во пивото, пенливите вина, како и во разни безалкохолни пијалаци на кои им дава свежина.

Ако јаглерод диоксидот се изложи на ладње под притисок, преоѓа во течна агрегатна состојба. Во течна состојба во челични садови (бомби) под притисок, јаглерод диоксидот, од фабриките што го произведуваат доаѓа до потрошувачите. Кога вентилот на челичната бомба одеднаш ќе се отвори, јаглерод диоксидот преоѓа во тврда состојба во вид на бели снегулки. Јаглерод диоксидот во тврда состојба се вика сув мраз. Служи како обичен мраз за ладење.

Во присуство на јаглерод диоксидот може да се задушат луѓето и животните. Ако во воздухот има околу 5% јаглерод диоксид, тогаш вдишувањето на таквиот воздух предизвикува вртоглавица, главоболие, поспаност и сонливост, а ако го има околу 25% во воздухот тогаш настанува онесвестување, а потоа и смрт. Задушувањето на јаглерод диоксид доаѓа поради недостиг на кислород за дишење, а не поради неговата отровност.

4.5. Докажување на јаглерод диоксидот добиен со реакција на оцет и сода бикарбона

§  Потребен прибор:

Тегла, гумена ракавица, мало пластично шише, продупчена затка со гумено црево, дрвце, шпиритусна ламба, чаша или потсечено пластично шише.

§  Хемикалии:

Оцет, сода бикарбона, течен детергент за миење садови, црвена боја за колачи, варова вода.

§  Тек на работа:

Опит 1

Во теглата ставаме малку сода бикарбона и оцет. Отворот на теглата затвораме со гумена ракавица. Ракавицата ќе се наполни со јаглерод диоксид кој се создал со хемиската реакција помеѓу оцет и сода бикарбона:

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂ + H₂O

Оцетната кисекина е посилна од јаглеродната и ја истиснува од нејзината сол.

Опит 2

Во едно пластично шише стави сода бикарбона и оцет. Во отворот од шишето внеси запалено шкорче. Шкорчето ќе се изгаси оти ослободениот јаглерод диоксид не гори ниту го подржува горењето.

Опит 3

Во истато шише од претходниот обид долеј уште малку оцет и затвори го со затка низ која поминува гумено црево. Цревцето од затката нурни го во потсеченото шише со варова вода. Со воведување на CO₂ во варова вода Ca(OH)₂ таа се заматува. Причина поради која се заматува е создавање на калциум карбонат CaCO₃ кој се создава при таа реакција но не се раствора во вода па е забележлив.

                             Ca(OH) ₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂

4.6. Употреба на јаглерод диоксидот

Јаглерод диоксидот наоѓа голема примена во техниката и животот. Наоѓа примена за добивање на сода – вода, пенливи вина и безалкохолни пијалаци. Потоа, за производство на сув мраз, кој е особено погоден за ладење на прехрамбени производи и друга стока што лесно се расипува при пренесувањето со железница и авиони. Поради тоа што јаглерод диоксидот не го поддржува горењето и го гасне пламенот, наоѓа примена на гаснење на помали пожари во лабораториите, домовите, фабриките и други објекти.

4.7. Јаглерод моноксид - CO

Јаглерод моноксидот се добива кога јаглеродот гори без доволно присуство на кислород. Тој е гас безбоен гас, без мирис. Токсичен е односно, претставува силен отров, бидејќи ако се вдиши, се сврзува со железото од хемоглобинот во крвта со кое гради многу стабилно соединение. Ова е честопати причина за смрт во автомобил или покрај печка во цврство гориво. Истото, се користи како редукционо средство при добивање на метали од оксидни руди, при што го одзема кислородот од оксидната руда и преминува на јаглерод диоксид.

Со горење јаглерод моноксид преминува во јаглерод диоксид 

2CO + O₂→ 2CO₂

Јаглерод моноксид	Својства	Јаглерод диоксид
Гас	Агрегатна состојба	Гас
Нема мирис	Мирис	Нема мирис
Безбоен	Боја	Безбоен
Гори, при што се добива јаглерод диоксид	Горење	Не гори
Голема токсичност, може да предизвика и смрт	Отровност	Не е отровен

III. Споредба на својствата меѓу јаглерод диоксид и јаглерод моноксид

  

4.8. Јаглеродна киселина - H₂CO₃

Киселините претставуваат соединенија изградени од водород и киселински остаток. Тоа се соединенија кои во водни раствори се разложуваат давајќи водородни катјони, како и анјони од киселинскиот остаток. Поделбата на киселините е направена токму врз основа на тоа дали киселинскиот остаток содржи кислород или не. Па, според тоа тие се делат на кислородни и бескислородни. 

Во вода јаглеродниот диоксид делумно се раствора и при тоа реагира со неа, образувајќи јаглеродна киселина - H₂CO_3. Равенката на овој процес е:

CO₂+ 2H₂O↔ H₂CO₃                                                           

Јаглеродната киселина не е позната во слободна состојба, туку само во воден раствор, бидејќи таа е нестабилна и со загревање се распаѓа на јаглерод диоксид и вода. Затоа, во горната равенка се ставаат стрелки во двете насоки коишто го покажуваат тој процес.

При некои реакции, водородните атоми од јаглеродната киселина, како и кај другите киселини, можат да се заменат со метали, при што настануваат соединенија – соли што се викаат карбонати. Таков случај е на пример, калциум карбонатот - CaCO_3.

5. ЗАКЛУЧОК

Јаглеродот е еден од најчестите елементи и може да има безброј многу форми. Тој е многу распространет во природата. Застапеноста во земјината кора е 0,018%. Се појавува во сите видови на органски живот и е основа на органската хемија. Овој неметал има интересна хемиска способност за врзување со различен број на други елементи, формирајќи околу 10 милиони соединенија. Од сето ова, произлегува важноста и големината на овој елемент, кој е од исклучително значење како за растителниот, така и за животинскиот свет и човекот. Заклучно, се надевам дека на сликовит начин го доловив моето збогатување со хемиската приказна за јаглеродот и неговите соединенија. Со желба за нови информации, откривање нови хемиски светови и предизвици, можност за најразлични хемиски експерименти, како и континуирано следење на хемиските реакции и последиците што произлегуваат од истите ќе се обидам и понатаму да ја совладувам материјата по Хемија на начин на кој ќе ни овозможи најдобро да го разбереме денешниот свет во кој живееме.

                                     подготвил: Филип Поповски VIII одд.