ნახშირბადი

ნახშირბადი

6C

12.011

2s2 2p2

ნახშირბადი (ლათ. Carboneum < ლათ. carbō — „ნახშირი“; ქიმიური სიმბოლო — ${\ce {C}}$) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეორე პერიოდის, მეთოთხმეტე ჯგუფის (მოძველებული კლასიფიკაციით — მეოთხე ჯგუფის მთავარი ქვეჯგუფის, IVა) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია 6, ატომური მასა — 12.011; სიმკვრივე (თხევად მდგომარეობაში) — 2.08 გ/სმ³; ბუნებრივი ნახშირბადი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისაგან: ${\ce {^{12}C}}$ (98.892 %) და ${\ce {^{13}C}}$ (1.108 %). რადიოაქტიური იზოტოპებიდან ყველაზე მნიშვენლოვანია ${\ce {^{14}C}}$ (T_1/2=7003560000000000000♠5.6×10³ წ). ხელოვნური გზით მიღებულია ნახშირბადის არამდგრადი ნუკლიდები, რომელთა მასური რიცხვი მერყეობს 8-23-ის შუალედში.

ნახშირბადი, ₆C

ზოგადი თვისებები
სტანდ. ატომური წონა Ar°(C)	[12.0096, 12.0116] 12.011±0.002 (დამრგვალებული)
ნახშირბადი პერიოდულ სისტემაში
წყალბადი ჰელიუმი ლითიუმი ბერილიუმი ბორი ნახშირბადი აზოტი ჟანგბადი ფთორი ნეონი ნატრიუმი მაგნიუმი ალუმინი სილიციუმი ფოსფორი გოგირდი ქლორი არგონი კალიუმი კალციუმი სკანდიუმი ტიტანი ვანადიუმი ქრომი მანგანუმი რკინა კობალტი ნიკელი სპილენძი თუთია გალიუმი გერმანიუმი დარიშხანი სელენი ბრომი კრიპტონი რუბიდიუმი სტრონციუმი იტრიუმი ცირკონიუმი ნიობიუმი მოლიბდენი ტექნეციუმი რუთენიუმი როდიუმი პალადიუმი ვერცხლი კადმიუმი ინდიუმი კალა სტიბიუმი ტელური იოდი ქსენონი ცეზიუმი ბარიუმი ლანთანი ცერიუმი პრაზეოდიმი ნეოდიმი პრომეთიუმი სამარიუმი ევროპიუმი გადოლინიუმი ტერბიუმი დისპროზიუმი ჰოლმიუმი ერბიუმი თულიუმი იტერბიუმი ლუტეციუმი ჰაფნიუმი ტანტალი ვოლფრამი რენიუმი ოსმიუმი ირიდიუმი პლატინა ოქრო ვერცხლისწყალი თალიუმი ტყვია ბისმუტი პოლონიუმი ასტატი რადონი ფრანციუმი რადიუმი აქტინიუმი თორიუმი პროტაქტინიუმი ურანი (ელემენტი) ნეპტუნიუმი პლუტონიუმი ამერიციუმი კიურიუმი ბერკელიუმი კალიფორნიუმი აინშტაინიუმი ფერმიუმი მენდელევიუმი ნობელიუმი ლოურენსიუმი რეზერფორდიუმი დუბნიუმი სიბორგიუმი ბორიუმი ჰასიუმი მეიტნერიუმი დარმშტადტიუმი რენტგენიუმი კოპერნიციუმი ნიჰონიუმი ფლეროვიუმი მოსკოვიუმი ლივერმორიუმი ტენესინი ოგანესონი – ↑ C ↓ Si ბორი ← ნახშირბადი → აზოტი
ატომური ნომერი (Z)	6
ჯგუფი	14
პერიოდი	2 პერიოდი
ბლოკი	p-ბლოკი
ელექტრონული კონფიგურაცია	[He] 2s2 2p2
ელექტრონი გარსზე	2, 4
ელემენტის ატომის სქემა
ფიზიკური თვისებები
აგრეგეგატული მდგომ. ნსპ-ში	მყარი სხეული
სუბლიმაციის ტემპერატურა	3642 °C ​(3915 K, ​6588 °F)
სიმკვრივე (ო.ტ.)	ამორფული: 1.8–2.1 გ/სმ3 გრაფიტი: 2.267 გ/სმ3 ალმასი: 3.515 გ/სმ3
სამმაგი წერტილი	4600 K, ​​​​10 800 კპა
დნობის კუთ. სითბო	გრაფიტი: 117 კჯ/მოლი
მოლური თბოტევადობა	გრაფიტი: 8.517 ჯ/(მოლი·K) ალმასი: 6.155 ჯ/(მოლი·K)
ატომის თვისებები
ჟანგვის ხარისხი	−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4
ელექტროდული პოტენციალი
ელექტრო­უარყოფითობა	პოლინგის სკალა: 2.55
იონიზაციის ენერგია	1: 1086.5 კჯ/მოლ 2: 2352.6 კჯ/მოლ 3: 4620.5 კჯ/მოლ
კოვალენტური რადიუსი (rcov)	sp3: 77 პმ sp2: 73 პმ sp: 69 პმ
ვან-დერ-ვალსის რადიუსი	170 პმ
ნახშირბადის სპექტრალური ზოლები
სხვა თვისებები
მესრის სტრუქტურა	ჰექსაგონალური
მესრის სტრუქტურა	აჟურული
ბგერის სიჩქარე	ალმასი: 18 350 მ/წმ (20 °C)
თერმული გაფართოება	ალმასი: 0.8 µმ/(მ·K) (25 °C)
თბოგამტარობა	გრაფიტი: 119-165 ვტ/(მ·K) ალმასი: 900-2300 ვტ/(მ·K)
კუთრი წინაღობა	გრაფიტი: 7.837 ნომ·მ
მაგნეტიზმი	დიამაგნეტიკი
მაგნიტური ამთვისებლობა	−5.9×10−6 სმ3/მოლ
იუნგას მოდული	ალმასი: 1050 გპა
წანაცვლების მოდული	ალმასი: 478 გპა
დრეკადობის მოდული	ალმასი: 442 გპა
პუასონის კოეფიციენტი	ალმასი: 0.1
მოოსის მეთოდი	გრაფიტი: 1–2 ალმასი: 10
CAS ნომერი	7440-44-0 7782-42-5 7782-40-3
ისტორია
აღმომჩენია	ეგვიპტელებმა და შუმერებმა (ძვ. წ. 3750)
პირველი მიმღებია	ანტუან ლავუაზიე (1789)
ნახშირბადის მთავარი იზოტოპები
იზო­ტოპი გავრცე­ლება­დობა ნახევ. დაშლა (t1/2) რადიო. დაშლა პრო­დუქტი 11C სინთ. 7001203400000000000♠20.34 წთ β+ 11B 12C 98.94% სტაბილური 13C 1.06% სტაბილური 14C 1 ppt (1⁄7012100000000000000♠1012) 7003570000000000000♠5.70×103 წ β− 14N
ნახშირბადი ვიკისაწყობში •

ისტორია

ნახშირბადი ხის ნახშირის სახით გამოიყენებოდა ძველი დროიდან ლითონების გამოსადნობად. ძველთაგანვე ცნობილია ნახშირბადის ალოტროპიული მოდიფიკაცია — ალმასი და გრაფიტი. ნახშირბადის ელემენტარული ბუნება დადგენილია ანტუან ლავუაზიეს მიერ 1780-იან წლებში.

დასახელების წარმომავლობა

საერთაშორისო სახელწოდება მოდის ლათ. carbō «ნახშირი».

ფიზიკური თვისებები

ნახშირბადი არსებობს მრავალი ალოტროპული მოდიფიკაციას სახით სხვადასხვა ფიზიკური თვისებებით. მოდიფიკაციის სხვადასხვაობა განპიროვნებულია ნახშირბადის უნარით წარმოქმნას სხვადასხვა ტიპის ქიმიური კავშირები. ცნობილია ნახშირბადის ხუთი ალოტრპული მოდიფიკაცია - ალმასი, კარბინი, გრაფინი, გრაფიტი და ფულერენი. ალმასისა და გრაფიტის კრისტალური სტრუქტურა ატომურია, მაგრამ ისინი ერთმანეთისაგან განსხვავდებიან მესერში ატომების განლაგებით. ალმასის კრისტალურ მესერში ნახშირბადის თითოეული ატომი სხვა ატომებთან ახორციელებს ოთხ კოვალენტურ ბმას ტეტრაედრის წვეროების მიმართულებით (ბმის კუთხე - 109,28^o, ბმის სიგრძე - 0,154 ნმ). ამით აიხსნება ალმასის დიდი სიგრძე. გრაფიტში ნახშირბადის ატომები განლაგებულია წესიერი ექსკუთხედის წვეროებში, რომლებიც შრეებს ქმნიან. მეზობელ პარალელურ შრეებს შორის მანძილი გაცილებით მეტია (0,335 ნმ), ვიდრე ერთსა და იმავე შრეში მეზობელ ატომებს შორის (0,142 ნმ). ეს იწვევს შრეებს შორის კავშირის შესუსტებას, რის გამო უბრალო მექანიკური ზემოქმედებითაც კი გრაფიტი ადვილად იშლება ფენებად, რომლებიც თავისთავად ძალიან მტკიცეა. ალმასის სიმკვრივე - 3510 კგ/მ³ , გრაფიტის სიმკვრივე - 2250 კგ/მ³, t_ლღ 3570^oC, t_დუღ 4200^oC. ალმასი ელექტრულ დენსა და სითბოს არ ატარებს. გრაფიტს ახასიათებს ლითონური ბზინვა; ელექტრული დენისა და სითბოს კარგი გამტარია. ალმასი ყველა ბუნებრივ ნივთიერებაზე მაგარია, გრაფიტი კი ქაღალდზე სუსტი გახახნუებითაც კი იშლება და ტოვებს კვალს.

ალმასი და გრაფიტი მაღალ ტემპერატურაზე ურთიერთ გარდაიქმნება. გრაფიტი ალმასად გარდაიქმნება 2000^oC, 100 000 ატმოსფერული წნევის პირობებში, ხოლო ალმასი გრაფიტის სახეს იღებს უჰაეროდ გახურების დროს - 1500^oC.

ნახშირბადის მესამე მოდიფიკაცია - კარბინი ჰექსაგონალური სტრუქტურის შავი ფერის ფხვნილია. პირველად მიიღეს სინთეზის გზით, შემდეგ აღმოაჩინეს ბუნებაშიც. გახურების დროს (2800^oC) გარდაიქმნება გრაფიტად.

უკანასკნელ პერიოდში აღმოაჩინეს ნახშირბადის კიდევ ორი მოდიფიკაცია - ფულერენი და გრაფინი.

ნახშირბადის იზოტოპები

ბუნებრივი ნახშირბადი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისაგან — ¹²С (98,93 %) და ¹³С (1,07 %) და ერთი რადიოაქტიური იზოტოპისაგან ¹⁴С (β-გამოსხივება, Т_½= 5700 წ.), თავმოყრილია ატმოსფეროში და დედამიწის ქერქის ზედაპირზე. ის ყოველთვის იქმება სტრატოსფეროს ქვედა ფენებში კოსმიური გამოსხივების ნეიტრონების ზემოქმედების შედეგად აზოტის ბირთვებზე, შემდეგი რეაქციით: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, ასევე, 1950 წ., როგორც ატომური ელექტროსადგურის მუშაობის ტექნოგენური პროდუქტი და წყალბადის ბომბის გამოცდის შედეგი.

წარმოქმნაზე და დაშლაზე ¹⁴С დაფუძნებულია რადიონახშირბადული დატირების მეთოდი, ფართოდ გამოიყენება მეოთხედული გეოლოგიაში და არქეოლოგიაში.

ნახშირბადის ალოტროპიული მოდიფიკაცია

ნახშირბადის გამარტივებული ფაზური დიაგრამა, დაშტრიხული ზონა, სადაც ალოტროპიული მოდიფიკაციებს შეუძლიათ მეტასტაბილურები. (diamond — ალმასი, graphite — გრაფიტი, liquid — სითხე, vapor — აირი)

ნახშირბადის მოდიფიკაციების აღნაგობია სქემები
a: ალმასი, b: გრაფიტი, c: ლონსდეილიტი
d: ფულერენი — ბუკიბოლი C₆₀, e: ფულერენი C₅₄₀, f: ფულერენი C₇₀
g: ამორფული ნახშირბადი, h: ნახშირბადის ნანომილაკი

• გრაფიტი
• ალმასი
• ცარბინი
• ლონსდეილიტი
• ფულერენი
• ნახშირბადის ნანომილაკები
• გრაფენი
• ამორფული ნახშირბადი

  ნახშირი

  ტექნახშირბადი

  მური

ნახშირბადის ატომის ელექტრონულ ორბიტალს შეიძლება ჰქონდეს სხვადასხვანაირი გეომეტრია, მისი ელექტრონული ორბიტალების ჰიბრიდიზაციის მიხედვით. არსებობს ნახშირბადის ატომის სამი ძირითადი გეომეტრია.

• ტეტრაედრული, წარმოიქმნება ერთი s- და სამი p- ელექტრონების შერევით (sp³-ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომი მდებარეობა ტეტრაედრის ცენტრში, შეკავშირებულია ოთხი ეკვივალენტური σ-კავშირით ნახშირბადის ატომთან ან სხათი ტეტრაედრის წვერთან. ნახშირბადის ატომის ასეთ გეომეტრიას შეესაბამება ნახშირბადის ალოტროპიული მოდიფიკაცია ალმასი და ლონსდეილიტი. ასეთი ჰიბრიდიზაციას ფლობს ნახშირბადი, მაგალითად, მეთანში და სხვა ნახშირწყალბადებში.
• ტრიგონალური, წარმოიქმნება ერთი s- და ორი p-ელექტრონული ორბიტალების შერევით (sp²-ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომს აქვს სამი თანაბარფასოვანი σ-კავშირი, რომლებიც განლაგებულნი არიან ერთ სიბრტყეზე 120° კუთხის დახრით ერთმანეთთან. ჰიბრიდიზაციაში არ მონაწილეობს p- ორბიტალი, რომელიც მდებარეობს σ-კავშირის სიბრტყის პერპენდიკულარულად, გამოიყენება π-კავშირის წარმოსაქმნელად სხვა ატომებთან. ნახშირბადის ასეთი გეომეტრია დამახასიათებელია გრაფიტისათვის, ფენილისათვის და სხვა.
• დიგონალური, წარმოიქმნება ერთი s- და ერთი p-ელექტრინის შერევით (sp-ჰიბრიდიზაცია). ამასთან ორი ელექტრონის ორბ. გაჭიმულია ერთი მიმართულებით და აქვს არასიმეტრიული ჰანტელის სახე. სხვა ორი р-ელექტრონი იძლევა π-კავშირს. ასეთი გეომეტრიის ატომის ნახშირბადი წარმოქმნის განსხვავებულ ალოტროპიულ მოდიფიკაციას — კარბინს.

2010 წ. ნოტინგემის უნივერსიტეტის თანამშრომლებმა სტივენ ლიდლმა და კოლეგებმა მიიღეს ნაერთი (მონომერული დილიტიო მეტანდი), სადაც ნახშირბადის ატომის ოთხი კავშირი მდებარეობენ ერთ სიბრტყეზე. ადრე "ბრტყელი ნახშირბადის" შესაძლებლობა იწინასწარმეტყველა პაულ ფონ შლეიერის მიერ $H_{2}CLi_{2}$, მაგრამ ის არ იქნა სინთეზირებული.

გრაფიტი და ალმასი

ნახშირბადის ძირითადი და კარგად შესწავლილი ალოტროპიული მოდიფიკაციებია - ალმასი და გრაფიტი. ნორმალურ პირობებში თერმოდინამიკულად მდგრადია მხოლოდ გრაფიტი, ხოლო ალმასს და ნახშირბადის სხვა ფორმებს მეტასტაბილურნი არიან. ატმოსფერული წნევის და 1200 K მაღალი ტემპერატურისას ალმასი გადადის გრაფიტში, 2100 K ზევით კი გარდაქმნა ხდება მომენტალურად. ΔН₀ გადასვლა — 1,898 კჯლ/მოლი. ნორმალური წნევისა და 3780 K ტემპერატურისას ნახშირბადი სუბლიმირდება. თხევადი ნახშირბადი არსებობს მხოლოდ გარკვეული გარე წნევის დროს. სამმაგი წერტილები: გრაფიტი-სითხე-ორთქლი Т = 4130 K, р = 10,7 მპა. გრაფიტის პირდაპირი გადასვლა ალმასში მიმდინარეობს 3000 K ტემპერატურისა და 11—12 გპა - წნევისას.

60 გ პა-ზე მეტი წნევისას სავარაუდოა უფრო მკვრივი, მჭიდრო მოდიფიკაციის წარმოქმნა С III (სიმკვრივე 15—20 %-ით უფრო მაღალია ვიდრე ალმასის), რომელსაც გააჩნია ლითონური გამტარობა. მაღალი წნევებისას და შედარებით დაბალი ტემპერატურებისას (მიახლ. 1200 K) მაღალორიენტირებული გრაფიტიდან წარმოიქმნება ნახშირბადის ჰექსაგონალური კრისტალური მესერიანი მოდიფიკაცია, ვიურციტის ტიპის — ლონდსდეილიტი (а = 0,252 ნმ, с = 0,412 ნმ, სივრცებრივი ჯგუფი Р6₃/mmc), სიმკვრივე 3,51 გ/სმ³, ანუ ისეთივე, როგორც ალმასი. ლონსდეილიტი ნაპოვნია ასევე მეტეორიტებში.

ულტრადისპერსიული ალმასები (ნანოალმასი)

1980 წ. სსრკ-ში იქნა აღმოჩენილი ის, რომ ნახშირბადშემცველი მასალების დინამიკური დატვირთვის პირობებში შესაძლებელი წარმოიქმნეს ალმასის მსგავსი სტრუქტურები, რომლებმაც მიიღო ულტრადისპერსიული ალმასის სახელწოდება (უდა). თანამედროვე დროს ხშირად იხმარება ტერმინი «ნანოალმასი». ასეთი მასალებში ნაწილაკების ზომები შეადგენს ნანომეტრის ერთეულებს. უდა-ს წარმოქმნის პირობები შეიძლება რეალიზებულ იქნას ასაფეთქებელი ნივთიერებების დეტონაციის დროს მნიშვნელოვანი უარყოფითი ჟანგბადის ბალანსით, ტროტილისა და ჰექსოგენის ნარევის მაგალითზე. ასეთი პირობები შეიძლება რეალიზებულ იქნას ციური სხეულების დედამიწასთან შეჯახების დროს ნახშირბადშემცველი მასალების (ორგანიკა ტორფი, ნახშირი და სხვა) თანხლებით. ასე რომ ტუნგუსკის მეტეორიტის ვარდნის ზონაში ტყიან საგებელში აღმოჩენილ იქნა - უდა.

კარბინი

ნახშირბადის ჰექსაგონალური სინგონიის კრისტალურ მოდიფიკაციას მოლეკულების ჯაჭვური აღნაგობით ეწოდება კარბინი. ჯაჭვებს აქვს ან პოლიენური (—C≡C—), ან პოლიკუმულენური (=C=C=) აღნაგობა. ცნობილია კარბინის რამდენიმე ფორმა, რომლებიც განსხვავდებიან ელემენტარული უჯრედში ატომების რაოდენობით, უჯრედების ზომები და სიმკვრივე (2,68—3,30 გ/სმ³). ბუნებაში კარბინი გვხვდება მინერალ ჩაოიტის სახით (თეთრი ძარღვები და ჩანართები გრაფიტში) და მიღებულია ხელოვნურადაც - აცეტილენის მჟანგავი დეჰიდროპოლიკონდენსაციით, გრაფიტზე ლაზერული დასხივებით, ნახშირწყალბადებში ან CCl₄ დაბალტემპერატურული პლაზმაში.

კარბინი წარმოადგენს მწვრილკრისტალური შავი ფერის ფხვნილს (სიმკვრივე 1,9-2 გ/სმ³), გააჩნია ნახევარგამტარების თვისებები. მიღებულია ხელოვნურად ნახშირბადის გრძელი ატომების ჯაჭვებისაგან, განლაგებული არიან პარალელურად ერთმანეთთან.

კარბინი — ნახშირბადის სიგძივი პოლიმერია. კარბინის მოლეკულაში ნახშირბადის ატომები შეერთებულია ჯაჭვად რიგრიგობით ან სამმაგი და ერთმაგი კავშირით (პოლიენური აღნაგობა), ან მუდმივი ორმაგი კავშირებით (პოლიკუმულებური აღნაგობა). ეს ნივთიერება პირველად მიგებული იქნა საბჭოთა ქიმიკოსების ვ. ვ. კორშაკის, ა. მ. სლადკოვის, ვ. ი. კასატოჩკინის და ი. პ. კუდრიავცევის მიერ 60-წლებში. ელემენტოორგანული ნაერთების ინსტიტუტში. კარბინს ახასიათებს ნახევარგამტარის თვისებები, ამასთან სინათლის ზემოქმედებით მისი გამტარობა ძლიერ იზრდება. ამ თვისებაზეა დაფუძნებული მისი პირველი პრაქტიკული გამოყენება - ფოტოელემენტებში.

ფულერენი და ნახშირბადიანი ნანომილაკები

ნახშირბადი ცნობილია ასევე კლასტერული ნაწილაკების სახით С₆₀, С₇₀, C₈₀, C₉₀, C₁₀₀ და მსგავსი (ფულერენი), ასევე გრაფენების, ნანომილაკები და რთული სტრუქტურებიანი — ასტრალენი.

ამორფული ნახშირბადი

ამორფული ნახშირბადის აღნაგობის საფუძვლია მონოკრისტალური (ყოველთვის შეიცავს მინარევებს) გრაფიტი. ეს არის ქვანახშირის კოქსი, მურა და ქვანახშირი, ტექნახშირბადი, მური, აქტიური ნახშირი.

გრაფენი

გრაფენი (англ. graphene) — ნახშირბადის ორგანზომილიანი ალოტროპიულ მოდიფიკაციას წარმოადგენს, რომელიც წარმოიქმნება ერთი ატომის სისქის ფენით, ნაერთი sp² კავშირის მეშვეობით, ჰექსაგონალური ორგანზომილებიანი კრისტალური მესერით.

ბუნებაში არსებობა

ნახშირბადის შემცველობა დედამიწის ქერქში მასის 0,1 %-ია. თავისუფალი ნახშირბადი ბუნებაში ალმასისა და გრაფიტის სახით გვხვდება. ნახშირბადის ძირითადი მასა ბუნებრივი კარბონატების (კირქვები და დოლომიტები), საწვავი წიაღისეულის - ანტრაციტი (94—97 % С), მურა ნახშირის (64—80 % С), ქვანახშირის (76—95 % С), საწვავი შრეების (56—78 % С), ნავთობის (82—87 % С), საწვავი ბუნებრივი აირის (99 %-მდე მეთანი), ტორფების (53—56 % С), ასევე ბიტუმის და სხვა სახით გვხვდება. ნახშირბადი დედამიწის ატმოსფეროში და ჰიდროსფეროში არსებობს ნახშირორჟანგის სახით СО₂, ჰაერში მასის 0,046 % СО₂, მდინარეების, ზღვებისა და ოკეანეების წყლებში ~60 -ჯერ მეტია. ნახშირბადი შედის მცენარეებისა და ცხოველების შემადგენლობაში(~18 %).

ადამიანის ორგანიზმში ნახშირბადი ხვდება საკვებთან ერთად (ნორმაა მიახლოებით 300 გ დღეღამეში). ნახშირბადის საერთო შემცველობა ადამიანის ორგანიზმში აღწევს მიახლოებით 21 % (15 კგ - 70 კგ სხეულის წონაზე). ნახშირბადი შეადგენს კუნთების მასის 2/3 ნაწილს და ძვლების მასის 1/3 ნაწილს. ორგანიზმიდან გამოდის უპირატესად ჰაერის ამოსუნთქვასთან ერთად (ნახშირორჟანგი) და შარდთან ერთად.

ნახშირბადის მიმოქცევა ბუნებაში ჩართულია ბიოლოგიურ ციკლში, СО₂-ის გამოყოფა ატმოსფეროში წიაღისეული საწვავის წვის დროს, ვულკანური აირებიდან, ცხელი მინერალური წყაროებიდან, ოკეანის წყლების ზედა ფენებიდან და სხვა. ბიოლოგიური ციკლი შემდეგში მდგონარეობს, ნახშირბადი СО₂ სახით ტროფოსფეროდან შთაინთქმება მცენარეების მიერ. შემდეგ ბიოსფეროდან ხელახლა ბრუნდება გეოსფეროში: მცენარეებთან ერთად ნახშირბადი ხვდება ცხოველებისა და ადამიანის ორგანიზმში, შემდეგ კი ცხოველებისა და მცენარეების ლპობის შედეგად - ნიადაგში და СО₂ სახით — ატმოსფეროში.

ორთქლისმაგვარ მდგომარეობაში აზოტთან და წყალბადთან ნაერთების სახით ნახშირბადი აღმოჩენილია მზის ატმოსფეროში, პლანეტებზე, ქვის და რკინის მეტეორიტებზე.

ნახშირბადის უმეტესი შენაერთი, და უპირველყოვლისა ნახშირწყალბადები, ხასიათდებიან გამოკვეთილი კოვალენტური კავშირებით. ჩვეულებრივი, ორმაგი და სამმაგი ატომების კავშირების სიმტკიცე ერთმანეთთან, მდგრადი ჯაჭვების წარმოქმნის შესაძლებლობები და ატომების ციკლი განაპირობებს ნახშირბადშემცველი ნაერთების უდიდესი რაოდენობის არსებობას, რომელსაც შეისწავლის ორგანული ქიმია.

ქიმიური თვისებები

ჩვეულებრივი ტემპერატურის პირობებში ნახშირბადი ქიმიურად ინერტულია, საკმაოდ მაღალი ტემპერატურის დროს კი უერთდება ბევრ ელემენტს, ავლენს ძლიერ აღმდგენ თვისებებს. სხვადასხვა ფორმის ნახშირბადის ქიმიური აქტივობა მცირდება რიგის მიხედვით: ამორფული ნახშირბადი, გრაფიტი, ალმასი, ჰაერზე ისინი აალდებიან შესაბამისად უფრო მაღალ ტემპერატუერაზე ვიდრე 300—500 °C, 600—700 °C და 850—1000 °C.

დაჟანგვის ხარისხი +4, −4, იშვიათად +2 (СО, ლითონების კარბიდები), +3 (C₂N₂, ჰალოგენციანები); იონიზაციის ენერგია თანმიმდევრობითი გადასვლით С⁰ დან С⁴⁺-მდე შესაბამისად 11,2604, 24,383, 47,871 და 64,19 ევ.

არაორგანული შენაერთები

ნახშირბადი რეაგირებს ბევრ ელემენტთან. ნაერთებს არალითონებთან აქვს თავისი სახელწოდება — მეთანი, ტეტრაფტორმეთანი.

ნახშირბადის ჟანგბადში წვის პროდუქტებია CO და CO₂ (ნახშირბადის მონოქსიდი და ნახშირბადის დიოქსიდი შესაბამისად). ცნობილია ასევე არამდგრადი ოქსიდი С₃О₂ (დნობის ტემპერატურა −111 °C, დუღილის ტემპერატურა 7 °C) და სხვა ზოგი ოქსიდი. გრაფიტი და ამორფული ნახშირბადი იწყებს რეაგირებას წყალბადთან ტემპერატურაზე 1200 °C, ფთორთან 900 °C-ის დროს.

ნახშირორჟანგი (ნახშირბადის დიოქსიდი) რეაგირებს წყალთან, რომელიც წარმოქმნის სუსტ ნახშირმჟავას — H₂CO₃, რომლებიც წარმოქმნიათ მარილებს — კარბონატებს. დედამიწაზე ფართოდაა გავრცელებული კარბონატები: კალციუმის კარბონატი (მინერალური ფორმებია — ცარცი, მარმარილო, კალციტი, კირქვა და სხვა) და მაგნიუმის კარბონატი (მინერალური ფორმაა დოლომიტი).

გრაფიტი ჰალოგენებთან, ტუტე ლითონებთან და სხვა. ნივთიერებთან წარმოქმნიან კლატრატებს. ელექტრო მუხტის გატარებისას ნახშირის ელექტროდებს შორის აზოტის ატმოსფეროში წარმოიქმნება ციანი. მაღალი ტემპერატურების დროს ნახშირბადის ურთიერთქმედებით Н₂ და N₂ ნარევებთან მიიღებენ სინილის მჟავას (ციანის მჟავა): $~\mathrm {NH_{3}+CH_{4}\ {\xrightarrow {Pt}}\ HCN+3H_{2}}$ ნახშირბადის გოგირდთან ურთიერთქმედებისას წარმოიქმნება გოგირდნახშირბადი CS₂, ცნობილია ასევე CS და C₃S₂. ლითონების უმრავლებოსთან, ბორთან და სილიციუმთან ნახშირბადი ქმნის კარბიდებს, მაგალითად:

• $~\mathrm {4Al+3C\ {\xrightarrow {t}}\ Al_{4}C_{3}}$ (ალუმინის კარბიდი);
• $~\mathrm {Ca+2C\ {\xrightarrow {t}}\ CaC_{2}}$ (კალციუმის კარბიდი).

მრეწველობისთვის მნიშვნელოვანია ნახშირბადისა და წყლის ორთქლის რეაქცია:

$~\mathrm {C+H_{2}O\longrightarrow CO+H_{2}}$ (იხ. მყარი საწვავების გაზიფიკაცია).

გახურებისას ნახშირბადი აღადგენს ლითონებს ლითონების ოქსიდებიდან. ეს თვისება ფართოდ გამოიყენება მეტალურგიულ მრეწველობაში.

ორგანული ნაერთები

ნახშირბადის თვისების გამო - წარმოქმნას პოლიმერული ჯაჭვები, არსებობს ნახშირბადის საფუძველზე ნაერთების დიდი კლასი, რომლებიც მნიშვნელოვნად ბევრია, ვიდრე არაორგანული ნაერთები, და რომლებსაც შეისწავლის ორგანული ქიმია. მათ შორის ყველაზე ფართო ჯგუფებია: ნახშირწყალბადები, ცილები, ცხიმები და სხვა.

ნახშირბადის ნაერთები შეადგენენ დედამიწის სიცოცხლის საფუძველს, ხოლო მათი თვისება განსაზღვრავს პირობების სპექტრს, სადაც მსგავს სიცოცხლის ფორმებს შეუძლიათ არსებობა. ცოცხალ უჯრედებში ატომების რაოდენობის მიხედვით ნახშირბადი შეადგენს მიახლოებით 25 %, მასური წილის მიხედვით - მიახლოებით 18 %.

გამოყენება

გრაფიტი გამოიყენება ფანქრების წარმოებაში. ასევე მას იყენებენ საპოხ მასალას განსაკუთრებულად მაღალ ან დაბალ ტემპერატურებზე.

ალმასი, განსაკუთრებული სიმაგრის გამო, შეუცვლელლია როგორც აბრაზიული მასალა. ალმაზის დეპონირება აქვს ბორმანქანებს. ამას გარდა, დაწახნაგებული, დამუშავებული ალმასი — ბრილიანტი გამოიყენება როგორც ძვირფასი ქვა ოქრომჭედლობაში. თავისი იშვიათობის, მაღალი დეკორატიული თვისებების და ისტორიული გარემოებების გამო, ბრილიანტი უცვლელად წარმოადგენს ყველაზე ძვირადღირებულ ძვირფას ქვას.

ალმასის განსაკუთრებულად მაღალი თბოგამტარობის გამო (2000 ვტ/მ·К) ის ხდება პერსპექტიულ მასალად ნახევარგამტარულ თექნიკაში ცენტრალური პროცესორის საფენად. მაგრამ შედარებით მაღალი ფასი (მიახლოებით 50 დოლ/გრ) და დამუშავების სირთულე ზღუდავს მის გამოყენებას ამ დარგში.

ფარმაკოლოგიაში და მედიცინაში ფართოდ გამოიყენება ნახშირბადის სხვადასხვაგვარი ნაერთები — ნახშირმჟავას და კარბონის მაჟავის წარმოებულები, სხვადასხვანაირი ჰეტეროციკლები, პოლიმერები და სხვა ნაერთები. კარბოლენი (აქტივირებული ნახშირი), გამოიყენება ორგანიზმიდან სხვადასხვა ტოქსინების აბსორბაციისათვის და მათი გამოყვანისათვის გარეთ; გრაფიტი (მალამოების სახით) — კანის დაავადებების სამკურნალოდ; რადიოაქტიული ნახშირბადის იზოტოპები — მეცნიერული კვლევებისათვის (რადიონახშირბადული ანალიზი).

ნახშირბადი თამაშობს უდიდეს როლს ადამიანის ცხოვრებაში. მისი გამოყენება ისეთივე მრავალფეროვანია, როგორც ამ ელემენტის მრავალსხაეობა.

ნახშირბადი წარმოადგენს ყველა ცოცხალი ორგანიზმის საფუძველს. ყველა ცოცხალი ორგანიზმი მნიშვნელოვანწილად შედგება ნახშირბადისაგან. ნახშირბადი - სიცოცხლის საფუძველია. ნახშირბადის წყაროს ცოცხალი ორგანიზმებისათვის წარმოადგენს ჩვეულებრივ СО₂ ატმოსფეროდან და წყლიდან. ფოტოსინთეზის შედეგად ის ხვდება კვების ბიოლოგიურ ჯაჭვში, სადაც ცოცხალი არსებები ჭამენ ერთმანეთს ან ერთმანეთის ნაშთს, რის შედეგაც მოიპოვებენ ნახშირბადს თავისი სხეულის განსავითარებლად. ნახშირბადის ბიოლოგიური ციკლი მთავრდება ან ჟანგვით და ატმოსფეროში დაბრუნებით ან წიაღისეულ შრეებად ნახშრისა და ნავთობის სახით.

ნახშირბადი წიაღისეული საწვავის სახით არის: ქვანახშირი და ნახშირწყალბადები (ნავთობი, ბუნებრივი აირი) — ერთ-ერთი მთავარი მნიშვნელოვანი ენერგიის წყარო ადამიანისათვის.

ტოქსიკური მოქმედება

ნახშირბადი შედის ატმოსფერული აეროზოლების შემადგენლობაში, რის შედეგად შეიძლება შეცვალოს რეგიონალური კლიმატი, შემცირდეს მზიანი დღეების რაოდენობა. ნახშირბადი გარემოში ხვდება: მურის სახით ავტომანქანების გამონაბოლქვის შემადგენლობაში, ნახშირის წვის დროს თბოელექტროსადგურებში, ნახშირის ღია მოპოვებისას, მისი მიწისქვეშა გაზიფიკაციისას, ნახშირის კონცენტრატების მიღებისას და სხვა. ნახშირბადის კონცენტრაცია წვის წყაროს ზემოთ არის 100—400 მკგ/მ³, მსხვილ ქალაქებში 2,4—15,9 მკგ/მ³, სოფლის რაიონებში 0,5 — 0,8 მკგ/მ³. ატომური ელ. სადგურების აეროზოლური გამონაბოლქვით ატმოსფეროში ხვდება (6—15)×10⁹ ბკ/დღეღამე ¹⁴СО₂.

ნახშირბადის მაღალი შემცველობა ატმოსფერულ აეროზოლებში იწვევს მოსახლეობის დაავადების ზრდას, განსაკუთრებულად ზედა სასუნთქი გზების და ფიტვების. პროფესიული დაავადებები — ძირითადად ანტრაკოზი და ბრონქიტი. სამუშაო ზონის ჰაერში, მგ/მ³: ალმასი 8,0, ანტრაციტი და კოქსი 6,0, ქვანახშირი 10,0, ტექნიკური ნახშირბადი და ნახშიბადიანი მტვერი 4,0; ათმოსფერულ ჰაერში ერთჯერადად მაქსიმალური 0,15, საშუალო დღეღამური 0,05 მგ/მ³.

ტოქსიკური მოქმედება ¹⁴С, ცილების მოლეკულების შემადგენლობაში (განსაკუთრებულად დნმ), განისაზღვრება მსი რადიაციული ურთიერთქმედებით β-ნაწილაკებთან (¹⁴С (β) → ¹⁴N), რომელიც იწვევს ცვლილებებს მოლეკულის ქიმიურ შემადგენლობაში. დასაშვები კონცენტრაცია ¹⁴С სამუშაო ზონის ჰაერში არის _А 1,3 ბკ/ლ, ატმოსფერულ ჰაერში _Б 4,4 ბკ/ლ, წყალში 3,0×10⁴ ბკ/ლ, ზღვრული დასაშვები ნორმა სასუნთქი ორგანოებიდან 3,2×10⁸ ბკ/წელი.

იხილეთ აგრეთვე

• რადიონახშირბადული ანალიზი
• ორთოკარბონის მჟავა
• ნახშირბადის ალოტროპიული ფორმები
• ნახშირბადის იზოტოპები

ლიტერატურა

1. ჰიპერკოორდინირებული ნახშირბადის ქიმია, თარგმნ. ინგლ., მ., 1990.
2. Kirk — Othmer encyclopedia, 3 ed., vol.4, N.-Y., 1978, p. 556-709.
3. ბუნებრივი ენერგომატარებლების და ნახშირბადული მასალების ქიმია დაარქივებული 2005-09-20 საიტზე Wayback Machine. ტ. ვ. ბიხარკინა, ნ. გ. დიგუროვი
4. В.І. Саранчук, В. В. Ошовський, Г. О. Власов. Хімія і фізика горючих копалин . — Донецьк: Східний видавничий дім, 2003. ?204 с.
5. სლადკოვი ა. მ., კუდრიავცევი ი. პ. ალმასი, გრაფიტი, კარბინი — ნახშირბადის ალოტროპიული ფორმები // პრიროდა. 1969.№ 5. С.37-44.

რესურსები ინტერნეტში

• ნახშირბადი Webelements-ზე
• ნახშირბადი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში
• ინფორმაცია ნახშირბადზე დაარქივებული 2011-01-21 საიტზე Wayback Machine.
• ალექსეი სლადკოვის ნახშირბადი — კარბინის აღმოჩენის ისტორია
• სლადკოვი კარბინი — ნახშირბადის მესამე ალოტროპილი ფორმა: მონოგრაფია

სქოლიო

პორტალი ქიმია