COMPUŞI AI CARBONULUI

I. COMPUŞI ORGANICI

1. Alcanii sunt hidrocarburi saturate (aciclice sau ciclice) – se mai numesc hidrocarburi alifatice sau parafine. Formula lor este CnH2n+2 (CnH2n pentru cicluri). Sunt cele mai puţin bogate în carbon. Acestea au catena liniară, ramificată sau ciclică:

liniară: CH3 – CH2 – CH2- ... ... – CH3

ramificată: CH3 – CH2 – CH- CH2 - ... ... – CH3

CH3

ciclică:

CH2 CH3

H2CCH2

CH2

H2C CH2

2. Alchenele sunt hidrocarburi nesaturate (aciclice sau ciclice) – sunt caracterizate de existenţa uneia sau mai multor legături duble în catenă (care, bineînţeles, constituie o slăbire şi nu o creştere a stabilităţii hidrocarburii). În aceste hidrocarburi se disting grupările etilenice – cu dublă legătură. Formula generală a hidrocarburilor etilenice este CnH2n. Pot fi cu lanţ liniar sau ramificat:

lanţ liniar: CH3 – CH2 –... ... - CH= CH2

lanţ ramificat: CH3 – CH2 – ... ... – CH2 - C = CH2

CH3

3. Alchinele (hidrocarburile acetilenice) - au formula generală CnH2n-2 şi au ca grupare funcţională: -C=C-, de exemplu: HC = C – CH2 – CH3.

4. Hidrocarburile aromatice - clasă extrem de importantă, cuprinde toate

1

hidrocarburile a căror formulă de structură prezintă unul sau mai multe nuclee bezenice:

seria cu un singur nucleu benzenic (seria benzenului C6H6 sau CnH2n-6);

seriile cu mai multe nuclee benzenice izolate aşa cum este difenilul C6H10 :

seriile cu nuclee benzenice condensate, aşa cum este seria naftalinei:

seria antracenului, cu trei nuclee condensate (din care unul punte):

Prin înlocuirea, în molecula unei hidrocarburi, a unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu atomi ai altor substanţe sau cu radicali ai acestora (grupare funcţională) se obţin substanţe organice derivate cu caracteristici specifice.

Principalele grupări funcţionale sunt:

2

gruparea hidroxil (- OH) legată la un radical aciclic formează alcooli, iar legată la un radical ciclic formează fenoli – compuşi hidroxilici;gruparea carbonil (C=O) formează aldehide şi cetone – compuşi carbonilici;gruparea carboxil (- COOH) formează acizii organici, substanţe denumite compuşi carboxilici;gruparea amino (- NH2) formează amine şi amide.

Substanţele derivate pot reacţiona între ele formând:eteri – prin eliminarea unei molecule de apă între două molecule de alcooli;esteri – prin combinarea unui alcool cu un acid;anhidride – prin combinarea a două molecule de acizi.

5. POLIMERIZAREA

Polimerii sunt substanţe macromoleculare, de natură organică, anorganică sau mixtă. În industria materialelor de construcţii se folosesc în special polimeri organici sau micşti, deoarece în cursul fabricaţiei numai aceştia trec printr-o fază plastică, ceea ce uşurează prelucrarea lor.

La materialele din polimeri utilizate în construcţii nu plasticitatea constituie caracteristica fundamentală, ci elasticitatea, flexibilitatea şi rigiditatea lor, funcţie de domeniul de utilizare.

Substanţele macromoleculare folosite se pot obţine prin reacţii de polimerizare sau policondensare:

în reacţia de polimerizare monomerii se leagă între ei, fără eliminare de substanţe secundare, astfel încât raportul dintre radicalii componenţi se păstrează neschimbat:

n A - (A)n –n (xA + yB) - [(A)x – (B)y] –

în care A şi B reprezintă monomerii, iar n – numărul de monomeri legaţi în macromoleculă şi se numeşte grad de polimerizare. Când monomerii sunt diferiţi, produsul de reacţie se numeşte copolimer.Exemple: polietilena (se foloseşte mai ales sub formă de folii şi de profile); policlorura de vinil (PVC – în forma rigida este folosită la fabricarea elementelor de tubulatură şi a profilelor); polistirenul (în stare densă poate fi colorat şi se foloseşte la fabricarea elementelor decorative; în stare expandată este unul din cele mai eficiente materiale termoizolatoare).

în reacţia de policondensare, pentru formarea macromoleculei, monomerii pun în libertate atomi sau radicali care vor forma o substanţă secundară D:

n (A + B) - (C)n – + n DCa exemplu se poate da policondensarea fenolului cu aldehide (în special cu

formaldehidă). În condiţii energice (în prez. H2SO4, temperaturi ridicate) se obţine

3

o răşină numită novolac (lacuri pentru lemn). În cataliza bazică, fenolul reacţionează sub formă de ion fenolat, mult mai reactiv. Depinzând de condiţiile de lucru se obţin alcooli hidroxobenzilici sau răşini (resoli, resită, bachelită- hidroizolarea placajelor folosite drept cofraje pentru betoane).

Materialele obţinute prin policondensare se fabrică, de regulă, cu un grad de policondensare redus, prezentându-se sub formă de răşini relativ viscoase (resolii).Sub acţiunea căldurii sau a unor catalizatori, gradul de policondensare creşte, structura devenind spaţială, răşina suferind un proces de întărire – stare numită rezit. Răşinile pure în starea rezit se prezintă ca materiale dure şi casante. Pentru a li se îmbunătăţi comportamentul, mai ales când sunt folosite pentru realizarea straturilor de acoperire (lacuri), răşinile sunt modificate (în compoziţia lor se introduc uleiuri vegetale).

Un alt exemplu: policondensarea melaminei cu formaldehida duce la obţinerea răşinilor melamino- formaldehidice (melaminoplaste). Sunt incolore, translucide, rezistente la lumină, apă şi căldură şi sunt folosite la acoperirea plăcilor de lemn.

Din punct de vedere structural sunt de trei tipuri de macromolecule:monodimensionale (filiforme sau liniare) – catena este formată prin succesiune de monomeri; conferă o mare elasticitate sub acţiuni mecanice, fapt pentru care materialele cu o astfel de structură se numesc şi elastomeri; prezintă solubilitate în anumiţi solvenţi organici şi aptitudinea de a se înmuia când sunt încălziţi;bidimensionale (plană sau lamelară) – când catena fililormă prezintă ramificaţii într-un singur plan; această structură le conferă comportament elasto- plastic sub acţiuni mecanice, aptitudinea de a se înmuia când sunt încălziţi dar solubilitate redusă (în anumiţi solvenţi organici suferă doar o umflare, formând paste vâscoase), fapt pentru care materialele cu astfel de structură se numesc plastomeri, care la rândul lor pot fi:

plastomeri termoplastici, alcătuiţi din macromolecule bidimensionale şi care îşi măresc reversibil plasticitatea la încălzire;

plastomeri termoreactivi, formaţi de asemenea din macromolecule bidimensionale, dar care la încălzire trec în structuri tridimensionale şi devin rigizi.

tridimensionale – reticulate în spaţiu (catena prezintă reticulaţii pe toate cele trei direcţii).

Proprietăţi fizico – chimice

Proprietăţile fizico – chimice ale acestor materiale depind de compoziţie, structură, gradul de polimerizare şi de orientare al macromoleculelor. De aceea unele din aceste proprietăţi variază în limite destul de largi. Astfel, densitatea aparentă poate fi cuprinsă între 15 … 2000 kg/m3. Rezultă că unele materiale din polimeri sunt de două ori mai uşoare decât aluminiul şi de 5…10 ori mai

4

uşoare decât oţelul. De asemenea unii polimeri se caracterizează prin bune proprietăţi de izolare fonică, hidrofugă şi electrică.

Polimerii prezintă o bună rezistenţă chimică, cu excepţia unora care sunt solubili în solvenţi organici, ceea ce permite utilizarea lor la protecţia unor materiale faţă de diverse medii agresive.

Materialele din polimeri prezintă însă şi unele caracteristici nefavorabile: stabilitate termică redusă (la 70…800C polimerii termoplastici se înmoaie, iar cei termorigizi la 2000C se descompun, coeficient de dilatare termică ridicat, de circa 2…15 ori mai mare decât a oţelului (2510-6… 12010-6) şi proces de îmbătrânire în timp. Unii polimeri, sub influenţa oxigenului atmosferic, a luminii şi a căldurii, prezintă fenomenul de îmbătrânire, care se manifestă prin pierderea elasticităţii şi plasticităţii, concomitent cu creşterea casanţei materialului. Procesul de îmbătrânire se manifestă mai puternic la polimeri cu grad scăzut de polimerizare, respectiv de policondensare. Pentru întârzierea acestui proces, la fabricarea materialelor din polimeri se introduc diverse adaosuri.

Proprietăţi mecanice

Caracteristicile mecanice ale polimerilor depind în mare măsură de gradul de polimerizare (policondensare), compoziţia chimică, structură, temperatură. S-a constatat că în funcţie de natura polimerului, rezistenţa la compresiune Rc

variază între 1,7 şi 2000 daN/cm2, rezistenţa la întindere Rt între 90 şi 900 daN/cm2, iar alungirile de rupere între 0,3 şi 800%. Unii polimeri armaţi cu fibre de sticlă (de exemplu poliesterii) ating rezistenţele mecanice ale oţelului de calitate.

II. CARBONAŢII

Carbonaţii sunt săruri stabile ale acidului carbonic. Acesta se formează prin dizolvarea dioxidului de carbon în apă (echilibrul reacţiei fiind deplasat mult spre stânga). Fiind foarte instabil se descompune în CO2 şi H2O, astfel încât în soluţie se găseşte dizolvată numai o cantitate de acid, care este parţial disociat în ioni:

CO2 + H2O H2CO3 2H+ + CO32-

Acidul carbonic formează două tipuri de carbonaţi: carbonaţi normali sau neutri: MCO3 şi carbonaţi acizi M(HCO3)2, cunoscuţi şi sub denumirea de bicarbonaţi.

Carbonaţii sunt substanţe solide, cristalizate. Cei neutrii sunt greu solubili în apă, cu excepţia carbonaţilor alcalini; cei acizi sunt toţi solubili în apă (în afară de NaHCO3, care este mai greu solubil).

Carbonaţii, chiar dacă sunt insolubili, reacţionează cu acizii; se pune în libertate acidul carbonic, adică se observă degajarea CO2:

5

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O (reacţia de recunoaştere a carbonaţilor)

Carbonatul de calciu (CaCO3) este unul dintre compuşii cei mai răspândiţi în natură, sub formă de calcit, aragonit, marmură, precum şi sub formă de piatră de var, cretă, dolomit etc.

Calcitul apare în natură sub formă de cristale trigonale, incolore sau colorate de impurităţi. La cristalele transparente, mari se observă fenomenul de birefrigerenţă, mai ales în calcitul de Islanda („spatul de Islanda”).

Aragonitul este format din prisme rombice, albe sau colorate din cauza impurităţilor. Este mai dur decât calcitul.

Marmura este o varietate cristalină de carbonat de calciu care se extrage din cariere. Poate fi albă, cu cristale mărunte, ce se aseamănă cu zahărul – de unde şi numele de marmură zaharoidă – sau colorată în roz, galben, verde, negru din cauza impurităţilor infiltrate în masa de carbonat de calciu. (Cea mai cunoscută carieră de marmură din România este cea de la Ruşchiţa.)

Piatra de var, foarte răspândită în scoarţa pământului, este formată din cristale mici de calcit. De obicei este amestecată cu alte minerale, de exemplu cu carbonat de magneziu, când se numeşte dolomit. Când este amestecată cu argilă se numeşte marnă.

Creta este un carbonat de calciu de culoare albă, cu granulaţie fină şi foarte fărâmicios (prezintă resturi de animale microscopice). Mai sunt şi alte varietăţi de carbonat de calciu, formate din depunerea scoicilor şi a cochiliilor unor foraminifere care apoi au fost cimentate într-un ciment calcaros.

Carbonatul de calciu este o substanţă albă, foarte greu solubilă în apă (solubilitate: 1,3 mg CaCO3 în 100 g apă, la 200C). Din această cauză, dacă într-o soluţie sunt prezenţi ioni de Ca2+ şi CO3

2-, se formează un precipitat alb, cristalin, de carbonat de calciu:

Ca2+ + CO32- ↔ CaCO3

Dacă se adaugă, însă, dioxid de carbon, precipitatul dispare, deoarece se formează carbonat acid de calciu, care este solubil:

CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca(HCO3)2

Reacţia este reversibilă; de aceea apele care conţin dizolvate cantităţi mari de carbonat acid de calciu (ape dure) nu se folosesc la alimentarea cazanelor cu aburi, locomotive, turbine etc. deoarece, din cauza încălzirii, carbonatul acid se descompune (dioxidul de carbon se degajă iar carbonatul neutru se depune, formând împreună cu alte săruri din apă piatra de cazan).

La temperatură ridicată, carbonatul de calciu reacţionează cu diferiţi oxizi, de exemplu cu SiO2:

CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2

6

Carburile sunt compuşii în care carbonul este combinat cu un element având electronegativitate mai mică sau aproape egală.

Carbura de calciu CaC2 se mai numeşte carbid şi se fabrică din var şi cărbune, la 25000C.

CaO + 3C CaC2 + CO

Temperaturi mai joase favorizează reacţia în sens contrar; temperaturi de peste 25000C sunt nefavorabile deoarece carbura se descompune.

Fabricaţia se realizează în cuptoare prevăzute cu electrozi de grafit prin care trece un curent de 100 000 A.

Carbura de calciu se prezintă sub formă de cristale aciculare albe. Structura ei este ionică. Deoarece carbidul tehnic conţine impurităţi, acetilena care se degajă prin acţiunea apei asupra carbidului nu este niciodată pură, ci conţine printre impurităţi şi hidrogen fosforat, care îi imprimă mirosul neplăcut şi poate provoca explozii în instalaţiile cu acetilenă:

CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2

Carbura de siliciu (SiC) este numită şi carborund. Se prepară industrial prin încălzire în cuptor electric la cca. 20000C a unui amestec de cocs şi dioxid de siliciu:

3C + SiO2 SiC + 2COCarbura de siliciu este bună conducătoare de căldură, asemănându-se prin

aceasta cu grafitul; însă prin duritate se aseamănă cu diamantul. Este incoloră în stare pură dar de obicei este neagră din cauza carbonului cu care este amestecată. Este foarte stabilă faţă de agenţii chimici. Este atacată numai prin topire de hidroxizii alcalini în prezenţa unui oxidant, deosebindu-se prin aceasta de diamante, care se poate separa în acest mod.

În reţeaua cristalină atomii de C şi Si sunt aşezaţi alternative, fiecare fiind înconjurat tetraedric de ceilalţi atomi. La ruptura structurii trebuie desfăcute un număr mare de legături. Aşa se explică temperatura înaltă de descompunere (peste 22000C) şi duritatea foarte mare. Din cauza acestei durităţi se întrebuinţează la prepararea prafului de şlefuit, la fabricarea pietrelor de polizor, la tăiatul sticlei şi porţelanului (în loc de diamante).

7