Związki węgla: co powinieneś wiedzieć

Związki węgla to substancje chemiczne, które zawierają atomy węgla związane z dowolnym innym elementem. Jest więcej związków węgla niż dla jakiegokolwiek innego pierwiastka oprócz wodoru. Większość tych cząsteczek to organiczne związki węgla (np. Benzen, sacharoza), chociaż istnieje również duża liczba nieorganicznych związków węgla (np. dwutlenek węgla). Jedną ważną cechą węgla jest catenacja, czyli zdolność do tworzenia długich łańcuchów lub polimery. Te łańcuchy mogą być liniowe lub mogą tworzyć pierścienie.

Węgiel najczęściej tworzy wiązania kowalencyjne z innymi atomami. Węgiel tworzy niepolarne wiązania kowalencyjne, gdy wiąże się z innymi atomami węgla, a polarne wiązania kowalencyjne z niemetalami i metaloidami. W niektórych przypadkach węgiel tworzy wiązania jonowe. Przykładem jest wiązanie między wapniem a węglem w węgliku wapnia, CaC₂.

Węgiel jest zwykle czterowartościowy (stopień utlenienia +4 lub -4). Znane są jednak inne stany utlenienia, w tym +3, +2, +1, 0, -1, -2 i -3. Wiadomo nawet, że węgiel tworzy sześć wiązań, jak w heksametylobenzenie.

Chociaż dwa główne sposoby klasyfikacji związków węgla są organiczne lub nieorganiczne, istnieje tak wiele różnych związków, że można je dalej podzielić.

Allotropy są różnymi formami elementu. Technicznie nie są to związki, chociaż struktury często nazywane są tą nazwą. Ważne alotropy węgla obejmują węgiel amorficzny, diamentgrafit, grafen i fulereny. Inne alotropy są znane. Mimo że allotropy są formami tego samego elementu, mają one bardzo różne właściwości od siebie.

Związki organiczne zdefiniowano kiedyś jako dowolny związek węgla utworzony wyłącznie przez żywy organizm. Teraz wiele z tych związków można zsyntetyzować w laboratorium lub stwierdzono, że różnią się od organizmów, dlatego definicja została zmieniona (choć nie uzgodniona). Związek organiczny musi zawierać co najmniej węgiel. Większość chemików zgadza się, że wodór również musi być obecny. Mimo to klasyfikacja niektórych związków jest kwestionowana. Główne klasy związków organicznych obejmują (ale nie wyłącznie) węglowodany, lipidy, białka, i kwasy nukleinowe. Przykłady związków organicznych obejmują benzen, toluen, sacharozę i heptan.

Związki nieorganiczne można znaleźć w minerałach i innych naturalnych źródłach lub mogą być wytwarzane w laboratorium. Przykłady obejmują tlenki węgla (CO i CO₂), węglany (np. CaCO₃), szczawiany (np. BaC₂O₄), siarczki węgla (np. disiarczek węgla, CS₂), związki węgiel-azot (np. cyjanowodór, HCN), halogenki węgla i karborany.

Związki metaloorganiczne zawierają co najmniej jedno wiązanie węgiel-metal. Przykłady obejmują ołowiu tetraetylowego, ferrocen i sól Zeise.

Kilka stopy zawierają węgiel, w tym stali i żeliwa. „Czyste” metale można wytapiać za pomocą koksu, co powoduje, że zawierają również węgiel. Przykłady obejmują aluminium, chrom i cynk.

Niektóre klasy związków mają nazwy wskazujące ich skład:

• Węgliki: Węgliki to związki binarne utworzone z węgla i innego pierwiastka o niższej elektroujemności. Przykłady obejmują Al₄do₃, CaC₂, SiC, TiC, WC.
• Halogenki węgla: Halogenki węgla składają się z węgla związanego z halogen. Przykłady obejmują czterochlorek węgla (CCl₄) i tetrajodek węgla (CI₄).
• Karborany: Karborany to skupiska molekularne zawierające zarówno węgiel, jak i atomy boru. Przykładem jest H.₂do₂b₁₀H.₁₀.

Związki węgla mają pewne wspólne cechy:

1. Większość związków węgla ma niską reaktywność w zwykłej temperaturze, ale może reagować energicznie po przyłożeniu ciepła. Na przykład celuloza w drewnie jest stabilna w temperaturze pokojowej, ale pali się po podgrzaniu.
2. W związku z tym organiczne związki węgla są uważane za palne i mogą być stosowane jako paliwa. Przykłady obejmują smołę, materię roślinną, gaz ziemny, olej i węgiel. Po spaleniu pozostałość jest głównie węglem elementarnym.
3. Wiele związków węgla jest niepolarnych i wykazuje niską rozpuszczalność w wodzie. Z tego powodu sama woda nie wystarcza do usunięcia oleju lub smaru.
4. Związki węgla i azotu często tworzą dobre materiały wybuchowe. Wiązania między atomami mogą być niestabilne i mogą uwolnić znaczną energię po zerwaniu.
5. Związki zawierające węgiel i azot zazwyczaj mają wyraźny i nieprzyjemny zapach jak ciecze. Stała postać może być bezwonna. Przykładem jest nylon, który pachnie aż do polimeryzacji.

Zastosowania związków węgla są nieograniczone. Życie, jakie znamy, opiera się na węglu. Większość produktów zawiera węgiel, w tym tworzywa sztuczne, stopy i pigmenty. Paliwa i żywność oparte są na węglu.