Атом вуглецю: будова, особливості та властивості

Атом вуглецю: будова, особливості та властивості

У цій статті ми розглянемо елемент, що входить до складу періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, а саме вуглець. У сучасній номенклатурі він позначається символом С, входить до чотирнадцятої групи і є "учасником" другого періоду, має шостий порядковий номер, а його а.є.м. = 12.0107.

Атомні орбіталі та їх гібридизація

Почнемо розгляд вуглецю з його орбіталів і їх гібридизації - його головних особливостей, завдяки яким він і донині змушує дивуватися вчених усього світу. Яка ж їхня будова?


Гібридизації атома вуглецю влаштована таким чином, що валентні електрони займають позиції на трьох орбіталях, а саме: один знаходиться на орбіталі 2s, а два - на 2p-орбіталях. Останні дві з трьох орбіталів утворюють кут, рівний 90 градусам по відношенню один до одного, а 2s-орбіталь володіє сферичною симетрією. Однак дана форма пристрою розглянутих орбіталів не дозволяє нам зрозуміти, чому ж вуглець, входячи в органічні сполуки, утворює кути в 120, 180 і 109.5 градусів. Формула електронної будови атома вуглецю виражає себе в наступному вигляді: (He) 2s22p2.

Вирішення суперечності було зроблено за допомогою введення в обіг поняття гібридизації атомних орбіталів. Щоб зрозуміти триграну, варіантну природу С, потрібно було створити три форми уявлення про його гібридизацію. Головний внесок у появу і розвиток даної концепції був зроблений Лайнусом Полінгом.

Властивості фізичного характеру

Будова атома вуглецю обумовлює наявність деяких особливостей фізичного характеру. Атоми цього елемента утворюють просту речовину - вуглець, який має модифікації. Варіації змін його будови можуть надавати речовині, що утворилася, різні якісні характеристики. Причина наявності великої кількості модифікацій вуглецю полягає в його здатності встановлювати і утворювати різнотипні зв 'язки хімічної природи.

Будова атома вуглецю може варіюватися, що дозволяє йому мати певну кількість ізотопних форм. Вуглець, що знаходиться в природі, утворюється за допомогою двох ізотопів у стабільному стані - 12C і 13C - та ізотопу з радіоактивними властивостями - 14С. Останній ізотоп зосереджується у верхніх шарах кори Землі і в атмосфері. Внаслідок впливу космічного випромінювання, а саме його нейтронів, на ядро атомів азоту, утворюється радіоактивний ізотоп 14С. Після середини п 'ятдесятих років двадцятого століття він став потрапляти в навколишнє середовище в якості техногенного продукту, утвореного при роботі АЕС, і внаслідок використання водневої бомби. Саме на процесі розпаду 14С ґрунтується методика радіовуглецевого датування, що знайшла своє широке застосування в археології та геології.

Модифікація вуглецю в алотропній формі

У природі існує безліч речовин, до складу яких входить вуглець. Людина використовує будову атома вуглецю у власних цілях при створенні різних речовин, серед яких:

  1. Кристалічні вуглеці (алмази, вуглецеві нанотрубки, волокна і дроти, фуллерени тощо).
  2. Аморфні вуглеці (активоване і деревне вугілля, різні види коксу, техвуглецю, сажу, нанопену і антрацит).
  3. Кластерні форми вуглецю (диуглеці, наноконуси та астраленові сполуки).

Структурні особливості атомної будови

Електронна будова атома вуглецю може мати різну геометрію, яка залежить від рівня гібридизації орбіталів, якими він володіє. Існує 3 головних види геометрії:


  1. Тетраедрична - створюється внаслідок зміщення чотирьох електронів, один з яких s-, а три належать до p-електрон. Атом С займається центральне положення в тетраедрі, зв 'язується чотирма рівносильним сигма-зв' язками з іншими атомами, що займають вершину даного тетраедра. При такому геометричному розташуванні вуглецю можуть утворитися його аллотропні форми, наприклад алмаз і лонсдейліт.
  2. Тригональна - зобов 'язана своєю появою зміщенню трьох орбіталів, з яких одна s- і дві p-. Тут є три сигма-зв 'язки, які знаходяться між собою в рівносильному положенні; вони залягають в загальній площині і дотримуються кута в 120 градусів по відношенню один до одного. Вільна р-орбіталь розташовується перпендикулярно по відношенню до площини сигма-зв 'язків. Подібна геометрія будови має графіт.
  3. Діагональна - з 'являється завдяки змішуванню s- і p-електронів (гібридизація sp). Електронні хмари витягуються вздовж загального напрямку і приймають форму несиметричної гантелі. Вільні електрони створюють лід-зв 'язки. Ця будова геометрії у вуглеці дає початок появі карбіну, особливої форми модифікації.

Атоми вуглецю в природі

Будова і властивості атома вуглецю здавна розглядаються людиною і використовуються з метою отримання великої кількості різноманітних речовин. Атоми цього елемента, завдяки своїй унікальній здатності утворювати різні хімічні зв 'язки і наявності гібридизації орбіталів, створюють безліч різних аллотропних модифікацій за участю всього лише одного елемента, з атомів одного типу, - вуглецю.

У природі вуглець міститься в земній корі; приймає форми алмазів, графітів, різних горючих природних багатств, наприклад, нафти, антрациту, бурого вугілля, сланців, торфу тощо. Входить до складу газів, що використовуються людиною в енергетичній промисловості. Вуглець у складі його діоксиду заповнює гідросферу і атмосферу Землі, причому в повітрі доходить до 0.046%, а у воді - до шістдесяти разів більше.

В організмі людини С міститься в кількості, приблизно рівній 21%, а виводитися переважно з сечею і видихуваним повітрям. Цей же елемент бере участь у біологічному циклі, він поглинається рослинами і витрачається в ході процесів фотосинтезу.

Атоми вуглецю завдяки своїй здатності встановлювати різноманітні ковалентні зв 'язки і будувати з них ланцюги, і навіть цикли, можуть створювати величезну кількість речовин органічної природи. Крім цього, даний елемент входить до складу сонячної атмосфери, перебуваючи в сполуках з воднем і азотом.

Властивості хімічної природи

Тепер розглянемо будову і властивості атома вуглецю з хімічної точки зору.

Важливо знати, що вуглець виявляє інертні властивості в умовах звичайної температури, але може показувати нам властивості відновлювального характеру під впливом високих температур. Основні ступені окислення: + - 4, іноді + 2, а також + 3.

Бере участь у реакції з великою кількістю елементів. Може вступати в реакції з водою, воднем, галогенами, лужними металами, кислотами, фтором, сірою тощо.


Будова атома вуглецю породжує неймовірно величезну кількість речовин, відокремлених в окремий клас. Такі сполуки називаються органічними і ґрунтуються на С. Це є можливим завдяки властивості атомів даного елемента утворювати полімерні ланцюги. Серед найвідоміших і великих груп знаходяться протеїни (білки), жири, вуглеводи та вуглеводневі сполуки.

Способи експлуатації

Завдяки унікальній будові атома вуглецю і супутнім цьому властивостям, елемент широко застосовується людиною, наприклад, при створенні олівців, виплавці металевих тиглів - тут використовують графіт. Алмази використовуються в якості абразивних матеріалів, прикрас, насадок для бормашин тощо.

Фармакологія і медицина також займаються використанням вуглецю в різноманітних сполуках. Цей елемент входить до складу сталі, служить основою для кожної органічної речовини, бере участь у процесі фотосинтезу тощо.

Токсичність елемента

Будова атома елемента вуглецю полягає в собі наявність небезпечного впливу на живу матерію. Вуглець потрапляє в світ навколо нас в результаті вугільного згоряння на ТЕС, входить до складу газів, що виробляються автомобілями, в разі отримання вугільного концентрату і т. д.

Високий відсоток вмісту вуглецю в аерозолях, що тягне за собою збільшення відсотка захворюваності людей. Найчастіше страждають верхні дихальні шляхи і легені. Деякі захворювання можна відносити до професійних, наприклад, пиловий бронхіт і хвороби групи пневмоконіозу.


14С - токсичний, а силу його впливу визначає радіаційна взаємодія з лід-частинками. Цей атом входить у склади біологічних молекул, в тому числі міститься в дезокси- і рібонуклеїнових кислотах. Допустимою кількістю 14С в повітрі робочої зони вважається позначка в 1.3Бк/л. Максимальна кількість вуглецевого організму під час дихання дорівнює 3.2 * 108 Бк/рік.