موضوع تحقیق: عنصر کربن

موضوع تحقیق: عنصر کربن تهیه و تنظیم : فائزه میرزایی ساره سلیمانی سوده وفایی

این موضوع شامل چهار بخش میباشد : 1- شیمی آلی 2- شیمی کربن 3- عنصر کربن 4- ترکیبات کربن

بخش اول: شیمی آلی در حقیقت تا حدود سال 1950، بسیاری از شیمیدانها تصور می‌کردند که ترکیبات آلی باید در ارگانیسم های زنده بوجود آیند و در نتیجه ، هرگز نمی‌توان آنها را از مواد غیر آلی تهیه کرد. ترکیبهایی که از منابع آلی بدست می آمدند، یک چیز مشترک داشتند:

بخش دوم : شیمی کربن موادی که از منابع آلی به دست می‌آیند، در یک خصوصیت مشترکند: همه آنها دارای عنصر کربن هستند.

بخش سوم:عنصر کربن

کربن عنصری غیرفلزی است که از قبل از تاریخ شناخته شده است از سوختن مواد ارگانیکی در صورت وجود اکسیژن به مقدار کافی ، تولید می شود . آخرین آلوتروپ کربن ، به نام فلورنس Fullerenes ، در دهه 1980 به وسیله بمباران مولکولی تولید شد . دهها میلیون ترکیب کربنی که بسیاری از آنها حیاتی هستند وجود دارند ، ترکیبات کربنی اهمیت اقتصادی فراوانی دارند ( جزء اصلی ترکیبات هیدکربنی هستند) این عنصر همچنین در خورشید ، ستارگان و جو بسیاری از سیارات وجود دارد . در برخی از متئوریتها الماسهای میکروسکوپی دیده شده است . در جو زمین هم یافت می شود ، محلول در ترکیبات آبی می باشد ، ترکیب اصلی سنگهای کربناته ( سنگ آهک ، دولومیت ومرمر ) می باشد . از ترکیب کربن و هیدروژن زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی بدست می آید.

کربن به صورت وسیعی در طبیعت پراکنده شده است. این عنصر به وفور در خورشید ستاره ها، ستاره های دنباله دار و در اتمسفر بیشتر سیاره. ها یافت می شودالماس طبیعی در کیمبرلیتها ، ستونهای آتشفشانی قدیمی در جنوب آفریقا و آرکانساس یافت می شود. حدود 30 درصدکل .کاربردهای الماس در آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد کربن در طبیعت به صورت سه آلوتروپ یافت می شودگرافیت، الماس و فولرینگرافیت یکی از نرمترین مواد در طبیعت و الماس یکی از سخترین آنها می باشد. عنصر کربن در طبيعت

گرافیت به دو فرم می تواند وجود داشته باشد آلفا و بتا. این دو فرم دارای خصوصیات فیزیکی یکسان ولی ساختار بلوری متفاوت هستند. 30 درصد از گرافیت در طبیعت به فرم بتا و بقیه آن به فرم آلفا یافت می شود. فرم آلفا گرافیت با ساختار بلوری هگزاگونال می باشد این دو فرم آلفا و بتا می توانند با حرارت 1000 درجه سانتیگراد به هم تبدیل شوند ترکیبات کربن در طبیعت به صورت اکسید در اتمسفر زمین و به صورت محلول در آبهای طبیعی یافت می شود. یکی از عناصر اصلی در ترکیب کربنات کلسیم و منیزیم و آهن ، زغال سنگ، نفت و گازهای طبیعی به خصوص هیدروکربناتها ، کربن می باشد.کربن در بین دیگر عناصر دارای ترکیبات مختلفی است و به طور وسیعی درطبیعت پراکنده شده است. نمايي ديگر از عنصر کربن در طبيعت

اثرات کربن در سلامتي انسانکربن اثرات سمي کمي دارد. اطلاعاتي که درباره تاثير کربن برسلامت انسان بيان ميشود درباره کربن سياهرنگ است نه درباره عنصر شيميايي کربن. تنفس کربن سياه به طور موقتي و دائم سبب آسيبهاي ريوي و قلبي ميشود. در کارگراني که به توليد کربن سياه ميپردازند، بيماري Pneumoconiosis مشاهده شده است. همچنين کربن سياه سبب مشکلات پوستي مانند سوختن فوليکولهاي مو و ليزين مخاط دهان ميشود. کربن سياه خاصيت سرطانزايي دارد. کربن سياه در ليست آژانس بين المللي تحقيقات سرطان (IARC) در گروه 3 قرار دارد (اين عنصر در انسان باعث بيماري سرطان نميشود). کربن 14 يکي از انواع راديونوکليدها ميباشد و در آزمايشهاي اتمسفري تسليحات هسته اي که در سال 1945، در آمريکا آغاز شد و در سال 1980 در چين به پايان رسيد، به کار برده شد. کربن 14 جزء راديونوکليدهاي با عمرهاي طولاني که محسوب ميشود و باعث افزايش خطر سرطان طي دهه ها و قرنها شده است. کربن 14 ميتواند از جفت عبور کند و در سلولهاي پيوندي جنين وارد ميشود و بنابراين جنين را تحت خطر سرطان قرار ميدهد.کربنتاکنون اثرات منفي از کربن در محيط زيست گزارش نشده است. تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در تجزیهاسپکترومتر جرمی ، میکروسکوپ ، کرماتوگرافی مایع و گازی ، اشعه x ، جذب اتمی ، مادون قرمز ، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و اسپکترومتر نشری

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر کربن :عدد اتمی:6جرم اتمی: 12.011نقطه ذوب : C°3550 نقطه جوش : C°3806شعاع اتمی : pm 77ظرفیت: 2,4رنگ: مشکیحالت استاندارد: جامدنام گروه: 14انرژی یونیزاسیون : Kj/mol 1086.5شکل الکترونی: 1s2 2s22p2 الکترونگاتیوی: 2.55حالت اکسیداسیون: 2, 4, -4دانسیته: 2.26گرمای تبخیر : Kj/mol 355.8مقاومت الکتریکی : Ohm m 1.37×10- 5گرمای ویژه: J/g Ko 0.710دوره تناوبی:2

شماره سطح انرژی : 2انرژی اولیه : 2انرژی ثانویه : 4درجه اشتعال : در حالت جامد قابل اشتعالشماره ایزوتوپ : 3ایزوتوپ : ایزوتوپ نیمه عمرC-11 20.3 دقیقهC-12 پایدارC-13 پایدارC-14 5730.0 سالC-15 2.5 ثانیهاشکال دیگر : هیدرید کربن CH4کلرید کربن CCl4دی اکسید کربن و مونوکسید کربن CO CO2

منابع : نفت ، گاز طبیعی و زغالکاربرد : ترکیب اصلی چرخه حیات است که بدون آن حیات ممکن نیست . کاربرد مهم اقتصادی کربن در تشکیل هیدرو کربنها بویژه گاز متان و نفت خام میباشد . کربن به عنوان برقگیر در راکتورهای هسته ای به کار می رود . گرافیت شکل دیگری از کربن است که به همراه رس در ساخت مداد به کار می رود الماسها کربن خالص هستند که زیبای و اهمیت بی نظیری دارند و به عنوان جواهر به کار می روند . از ترکیب کربن با آهن فولاد بدست می آید .داروهای زغالی در پزشکی برای جذب سم از دستگاه گوارش بکار می روند . همچنین در صنایع استیل و فیلترها نیز کاربرد دارد .

بخش چهارم:ترکیبات کربن الماس‌ها از کربن تشکیل می‌شوند- کربن کاملا سازمان‌یافته. بر اساس تحقیق جدیدی که در نشریه Nature منتشر شده است، دانشمندان حدس می‌زنند الماس‌ها درون کره زمین از یک تا سه میلیارد سال قبل تولید شده‌امند؛ آنها فکر می‌کنندکه دستورالعمل ساخته‌شدن الماس این‌گونه است:۱) دی‌اکسید کربن را در ۱۸۰ کیلومتری عمق زمین دفن کنید.۲) آن را تا بیش از ۱۲۰۰ درجه حرارت دهید.۳) آن را زیر فشار بیش از ۵۰۰۰۰ کیلوگرم نیرو بر سانتی‌متر مربع قرار دهید.۴) به سرعت آن را به سطح زمین بیاورید تا به سرعت سرد شود.اگر این فرآیند کمی مشکل به نظر می رسد، از تولیدکنندگان الماس مصنوعی تشکر کنید: اکنون دو راه برای ساختن الماس در آزمایشگاه وجود دارد اولین روش مصنوعی روش (HPHT)فشار بالا، حرارت بالا" نامیده می‌شود.

این روش بیشترین شباهت را با نحوه تشکیل الماس درون کره زمین دارد و در آن گرافیت (یعنی همان کربنی که در مداد به کار می‌رود) تحت فشار و گرمای شدید قرار می‌گیرد‌.سندان‌های کوچک در ماشین HPHT در حالی که الکتریسیته شدید از گرافیت عبور می‌کند، بر روی ان فشار می‌‌آورد، و تنها پس از چند روز یک الماس با کیفیت جواهر به وجود می‌آورد.البته این الماس‌ها به اندازه الماس‌های طبیعی خالص نیستند، زیرا یک محلول فلزی با گرافیت مخلوط می‌شوند. روش دیگر تولید الماس- رسوب بخار شیمیایی نامیده می شود-بر مبنای فشار شدید عمل می‌کند، اما الماس‌هایی بی‌‌نقص‌تر از طبیعت می‌تواند تولید کند.یک قطعه الماس در ون یک محفظه کاهش فشار قرار داده می‌‌شوند، سپس گاز طبیعی با یک تابش مایکروو‌یو به درون این محفظه فرستاده می‌شود.هنگامی گاز تا تقریبا ۲۰۰۰ درجه حرارت داده می‌شود، اتم‌های کربن روی الماس درون محفظه "می بارند" و به آن می‌چسبند، و غلاف کاملی شبانه دور الماس رشد می‌کند.این الماس‌های مصنوعی بیش از هر چیز به درد تولیدکنندگان کامپیوتر می‌خورند :‌ در درجه حرارت‌هایی که در آن تراشه‌های سیلیکونی ذوب می شوند، غلاف های الماس مصنوعی مثل سنگ سخت باقی می‌مانند.

یکی از جنبه های مهيج و اعجاب انگيز اخير در شيمی نوين ، سنتز باک مينستر فولرن C60 و فولرنهای مرتبط با اونه . نخستين بار در سال ۱۹۸۵ کورتو ( Korto ) ، اسمالی ( Smalley ) و همکارانش گونه های C60 ، C70 و چند فولرن ديگه رو سنتز کردند . شکل جدیدی از کربن را کشف کردند که امروز به نام توپ باکی بال معروف است . این کشف نشان داد که ۶۰ ، ۷۰ یا تعداد بیشتری اتم کربن میتوانند با هم بصورت خوشه تجمع کنند و مولکولی قفس مانند بسازند . فولرن C60 آلوتروپ جديدی از عنصر کربن هست که شامل حلقه های کربنی پنج و شش عضوی ست . هر حلقه شش ضلعی به وسيله شش ضلعيها و پنج ضلعی های کربنی احاطه شده و هر پنج ضلعی به پنج ، شش ضلعی متصل شده ست . در C60 تمام اتمهای کربن هم ارز هستند و فقط يک پيک در C NMR مشاهده ميشه . با وجود اينکه همه پيوندهای کربن هم ارزند ، اما پيوندها يکسان نيست . دو نوع پيوند در اين ترکيب وجود داره : يکی پيوندی ست که از اتصال دو حلقه ی شش ضلعی به وجود می آد و ديگری پيوندی ست که حلقه های پنج و شش عضوی رو به هم متصل می کنه

در سنتز C60 ، فراورده جانبی C70 است که اين ترکيب از پايدارترين فولرن های تهيه شده است . بر خلاف C60 ، اين ترکيب پنج نوع کربن متفاوت داره و در C NMR پنج رزونانس نشون می ده ! فولرن ها در دنيای شيمی غوغايی به پا کردند : اطاقی در درون توپهای خالی برای يونهای فلزی ( کمپلکسهای فولرن ـ فلز ) . سطح بيرونی رو هم ميتوان با واکنشهای شيميايی تغيير داد ! کسی نميدونه هنوز از اين مولکولهای عجيب چه خواصی رو ميتونيم انتظار داشته باشيم . تا سال ۱۹۹۱ يعنی فقط شش سال پس از کشف آنها ، ترکيبهايی از فولرن گزارش شده بود که خواص چشمگيری از قبيل ابَر رسانايی داشتند . عقيده بر اينه که اونها هادی های بدون مقاومت الکتريسيته ، نه تنها در دماهای بسيار پايين مورد نياز فعلی ، بلکه در دمای عادی خواهند بود !!!! فولرنها به شدت الکترون خواه هستند و به آسانی با هسته دوستهاواکنش میدهند ، از واکنشهای آنهای میتوان :۱- واکنش افزایشی : تشکیل برون وجهیبا افزایش هسته دوستها یا رادیکالها ، حلقه زایی ، و ایجاد کمپلکس با فلزات واسطه .۲- واکنشهای انتقال الکترون : کاهش شیمیایی فولرنها به راحتی بوسیله واکنش بافلزهای قلیاییو قلیایی خاکی الکتروپوزیتیو یا مولکولهای آلی اکترون دهنده امکان

جای کربن در اسکلت فولرن- تشکیل ناجور فولرنها : جانشین کردن اتمهایی مانند نیتروژن یا بور به اتم۴-واکنشهای باز شدن حلقه : تولید یک حفره در اسکلت با شکستن تعداد مشخصی از پیوندها۵-تشکیل درون وجهیها :وارد کردن و به تله انداختن اتمها در داخل قفس کروی شکل نیمرسانایی با مقاومت الکتریکی بسیار بالاست ، اما با وارد کردن فلزات قلیایی ، قلیایی خاکی یا گونه های الکترون دهنده دیگر درون ، انتقال بار حاصل ، مقاومت الکتریکی را به شدت کاهش میدهد که در برخی موارد میتواند منجر به رسانایی فلزی شود .به این مواد متافولرنها گفته میشود . نانو لوله های کربنی به دلیل داشتن قطر بسیار کوچک در حدود ۰.۷ نانومتر نخستین نمونه از استوانه های توخالی معروف به سیمهای کوانتومی هستند ، اینها هم به صورت فولرنهای تک لایه هم به صورت فولرنهای چند لایه تو در تو قابل تهیه اند ، در طول دهه گذشته دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که نانولوله های کربنی قادرند الکتریسیته را به دو صورت هدایت کنند ، با مقاومت کم ، مانند فلز ، و با که مطرح کرده اند نانو مقاومت متغیر ، مانند نیم رسانا .اکنون پژوهشگران دانشگاه برکلی این نظریه را لوله ها میتوانند در شرایط مناسب ابر رسانا هم باشند ، بلاخره در سال ۱۹۹۹ دانشمندان نانو لوله هایی بسیار کوچک به قطر کمتر از نیم نانومتر و طول ۱۰۰۰ آنگستروم {۳۰۰۰ بار کوتاهتر از دیگر نانولوله ها، جهت اجتناب ازراست نقصهای ساختاری }تولید کردند که پایینتر از ۲۰ درجه کلوین ابر رسانا میشوند پذیر است،

هیدرو کربن های آروماتیکی آروماتیک‌ها ، دسته وسیعی از ترکیبات را تشکیل می‌دهند که شامل بنزن و ترکیباتی باشند که از نظر رفتار شیمیایی مشابه بنزن می‌باشند. برخی از این مواد ، حتی به‌ظاهر شباهتی به بنزن ندارند....

آلدهیدها

کلمه آلدئید (Aldehyde) از دو واژه الکل (Alcohal) و هیدروژن‌گیری (dehydrogenation) گرفته شده است. هرگاه از الکل نوع اول هیدروژن‌گیری شود، در آن صورت ، ماده ای تولید می‌گردد که آلدئید نامیده می‌شود.

خلاصه ای در مورد الکل ها الکلها ترکیباتی هستند که دارای گروه هیدروکسیل می‌باشند. فرمول کلی آنها ROH است که در آن R یک گروه آلکیل یا آلکیل استخلاف شده است

استرها و اترها ترکیبهای اسیدهای کربوکسیلی به فرمول R--COOR ، استر نامیده می‌شود که در آن گروه -R یک گروه آلکیل یا آریل می‌باشد و یک گروه عمده از ترکیبات آلی را تشکیل می‌دهند. استرهای حلقه‌ای نیز که لاکتون نامیده می‌شوند، جزو گروه استرها می‌باشند.... اترها ، ترکیباتی با فرمول عمومی R-O-R ، Ar-O-R یا Ar-O-Ar هستند. (Ar ، فنیل یا یک گروه آروماتیک دیگر است)....

پایان

موضوع تحقیق: عنصر کربن