Из каких химических элементов состоит углерод. Конспект урока "Строение атома углерода

Углерод (от латинского: carbo «уголь») представляет собой химический элемент с символом С и атомным номером 6. Для образования ковалентных химических связей, доступны четыре электрона. Вещество является неметаллическим и четырехвалентным. Три изотопа углерода встречаются естественным образом, 12С и 13С стабильны, а 14С – радиоактивный изотоп, затухающий с периодом полураспада около 5730 лет . Углерод – один из немногих элементов, известных с древности. Углерод – это 15-й наиболее распространенный элемент в земной коре, и четвертый наиболее распространенный элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, уникальное разнообразие его органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют этому элементу служить общим элементом для всех известных форм жизни. Это второй наиболее распространенный элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода. Атомы углерода могут связываться по-разному, называясь при этом аллотропами углерода. Наиболее известными аллотропами являются графит, алмаз и аморфный углерод. Физические свойства углерода широко варьируются в зависимости от аллотропной формы. Например, графит непрозрачен и черный, а алмаз – очень прозрачный. Графит достаточно мягкий, чтобы образовывать полосу на бумаге (отсюда и его название, от греческого глагола «γράφειν», что означает «писать»), в то время как алмаз является самым твердым известным в природе материалом. Графит является хорошим электрическим проводником, а алмаз имеет низкую электропроводность. В обычных условиях, алмаз, углеродные нанотрубки и графен имеют самую высокую теплопроводность среди всех известных материалов. Все углеродные аллотропы являются твердыми веществами в нормальных условиях, причем графит является наиболее термодинамически стабильной формой. Они химически устойчивы и требуют высокой температуры, чтобы реагировать даже с кислородом. Наиболее распространенное состояние окисления углерода в неорганических соединениях составляет +4, и +2 – в карбоксильных комплексах монооксида углерода и переходного металла. Крупнейшими источниками неорганического углерода являются известняки, доломиты и двуокись углерода, но значительные количества происходят из органических отложений угля, торфа, нефти и метанатных клатратов. Углерод образует огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, с почти десятимиллионным количеством соединений, описанных до настоящего времени, и, тем не менее, это число является лишь частью числа теоретически возможных соединений в стандартных условиях. По этой причине, углерод часто упоминается как «царь элементов» .

Характеристики

Аллотропы углерода включают графит, одно из самых мягких из известных веществ, и алмаз, самое твердое природное вещество. Углерод легко связывается с другими малыми атомами, включая другие атомы углерода, и способен образовывать многочисленные устойчивые ковалентные связи с подходящими многовалентными атомами. Известно, что углерод образует почти десять миллионов различных соединений, подавляющее большинство всех химических соединений. Углерод также имеет самую высокую точку сублимации среди всех элементов. При атмосферном давлении, он не имеет температуры плавления, так как его тройная точка составляет 10,8 ± 0,2 МПа и 4600 ± 300 К (~ 4330 ° С или 7 820 ° F), поэтому он возгоняется при температуре около 3900 К. Графит гораздо более реактивный, чем алмаз, в стандартных условиях, несмотря на то, что он более термодинамически стабилен, поскольку его делокализованная система pi гораздо более уязвима для атаки. Например, графит может быть окислен горячей концентрированной азотной кислотой в стандартных условиях до меллитовой кислоты C6 (CO2H) 6, которая сохраняет гексагональные единицы графита при разрушении большей структуры. Углерод возгоняется в углеродистой дуге, температура которой составляет около 5800 К (5 530 ° С, 9 980 ° F). Таким образом, независимо от его аллотропной формы, углерод остается твердым при более высоких температурах, чем самые высокие температуры плавления, такие как вольфрам или рений. Хотя термодинамически углерод склонен к окислению, он более устойчив к окислению, чем такие элементы, как железо и медь, которые являются более слабыми восстановителями при комнатной температуре. Углерод – шестой элемент с электронной конфигурацией основного состояния 1s22s22p2, из которых четыре внешних электрона являются валентными электронами. Его первые четыре энергии ионизации 1086,5, 2352,6, 4620,5 и 6222,7 кДж / моль, намного выше, чем у более тяжелых элементов группы 14. Электроотрицательность углерода составляет 2,5, что значительно выше, чем у более тяжелых элементов 14 группы (1,8-1,9), но близка к большинству соседних неметаллов, а также к некоторым переходным металлам второго и третьего ряда. Ковалентные радиусы углерода обычно принимаются как 77,2 пм (C-C), 66,7 пм (C = C) и 60,3 пм (C≡C), хотя они могут варьироваться в зависимости от координационного числа и от того, с чем связан углерод. В общем случае, ковалентный радиус уменьшается при уменьшении координационного числа и увеличении порядка связей. Углеродные соединения составляют основу всех известных форм жизни на Земле, а углерод-азотный цикл обеспечивает некоторую энергию, выделяемую Солнцем и другими звездами. Хотя углерод образует необычайное разнообразие соединений, большинство форм углерода сравнительно не реагируют в нормальных условиях. При стандартных температурах и давлении, углерод выдерживает все, кроме самых сильных окислителей. Он не реагирует с серной кислотой, соляной кислотой, хлором или щелочами. При повышенных температурах, углерод реагирует с кислородом с образованием оксидов углерода и убирает кислород из оксидов металлов, оставляя элементный металл. Эта экзотермическая реакция используется в черной металлургии для плавки железа и контроля содержания углерода в стали:

Fe3О4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

с серой с образованием дисульфида углерода и с паром в реакции уголь-газ:

C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)

Углерод сочетается с некоторыми металлами при высоких температурах с образованием металлических карбидов, таких как цементит из карбида железа в стали и карбид вольфрама, широко используемый в качестве абразива и для изготовления жестких наконечников для режущих инструментов. Система аллотропов углерода охватывает ряд экстремумов:

Некоторые виды графита используются для теплоизоляции (например, противопожарные преграды и теплозащитные экраны), но некоторые другие формы являются хорошими тепловыми проводниками. Алмаз – самый известный природный теплопроводник. Графит непрозрачен. Алмаз очень прозрачный. Графит кристаллизуется в гексагональной системе . Алмаз кристаллизуется в кубической системе. Аморфный углерод полностью изотропный. Углеродные нанотрубки являются одними из самых известных анизотропных материалов.

Аллотропы углерода

Атомный углерод является очень недолговечным видом, и поэтому углерод стабилизируется в различных многоатомных структурах с различными молекулярными конфигурациями, называемыми аллотропами. Три относительно известных аллотропа углерода – аморфный углерод, графит и алмаз. Ранее считавшиеся экзотическими, фуллерены в настоящее время обычно синтезируются и используются в исследованиях; они включают бакиболы, углеродные нанотрубки, углеродные наноточки и нановолокна. Также было обнаружено несколько других экзотических аллотропов, таких как лонсалетит, стеклоуглерод, углеродный нанофаум и линейный ацетиленовый углерод (карбин). По состоянию на 2009 год, графен считается наиболее сильным материалом среди всех, когда-либо протестированных. Процесс отделения его от графита потребует некоторого дальнейшего технологического развития, прежде чем он станет экономичным для промышленных процессов. В случае успеха, графен можно будет использовать при строительстве космических лифтов. Он также может быть использован для безопасного хранения водорода для использования в двигателях на основе водорода в автомобилях. Аморфная форма представляет собой набор атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном, стекловидном состоянии, а не содержащихся в кристаллической макроструктуре. Она присутствует в виде порошка и является основным компонентом таких веществ, как древесный уголь, ламповая копоть (сажа) и активированный уголь. При нормальных давлениях, углерод имеет форму графита, в котором каждый атом тригонально связан тремя другими атомами в плоскости, состоящей из сплавленных гексагональных колец, как и в ароматических углеводородах . Полученная сеть является двухмерной, и полученные плоские листы складываются и свободно связываются через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это дает графиту его мягкость и свойства расщепления (листы легко проскальзывают друг за другом). Из-за делокализации одного из внешних электронов каждого атома с образованием π-облака, графит проводит электричество, но только в плоскости каждого ковалентно связанного листа. Это приводит к более низкой удельной электропроводности для углерода, чем для большинства металлов. Делокализация также объясняет энергетическую стабильность графита над алмазом при комнатной температуре. При очень высоких давлениях, углерод образует более компактный аллотроп, алмаз, имеющий почти вдвое большую плотность, чем графит. Здесь каждый атом тетраэдрически соединен с четырьмя другими, образуя трехмерную сеть сморщенных шестичленных колец атомов. Алмаз имеет ту же кубическую структуру, что кремний и германий, и из-за прочности углерод-углеродных связей он является самым твердым природным веществом, что измеряется по сопротивлению царапинам. Вопреки распространенному мнению, что «алмазы вечны», они термодинамически нестабильны в нормальных условиях и превращаются в графит. Из-за высокого энергетического барьера активации, переход в форму графита настолько медленный при нормальной температуре, что он незаметен. При некоторых условиях, углерод кристаллизуется как лонсалейт, гексагональная кристаллическая решетка со всеми ковалентно связанными атомами и свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Фуллерены представляют собой синтетическое кристаллическое образование с графитоподобной структурой, но вместо шестиугольников фуллерены состоят из пятиугольников (или даже семиугольников) атомов углерода. Отсутствующие (или дополнительные) атомы деформируют листы в сферы, эллипсы или цилиндры. Свойства фуллеренов (разделенных на бакиболы, бакитубы и нанобады) еще не полностью проанализированы и представляют собой интенсивную область исследований наноматериалов. Названия «фуллерен» и «бакибол» связаны с именем Ричарда Бакминстера Фуллера, популяризатора геодезических куполов, которые напоминают структуру фуллеренов. Бакиболы представляют собой довольно крупные молекулы, образованные полностью из углеродных связей тригонально, образуя сфероиды (наиболее известным и простейшим является баксинистерфеллерен C60 с формой футбольного мяча). Углеродные нанотрубки структурно подобны бакиболам, за исключением того, что каждый атом связан тригонально в изогнутом листе, который образует полый цилиндр. Нанобады впервые были представлены в 2007 году и представляют собой гибридные материалы (бакиболы ковалентно связаны с внешней стенкой нанотрубки), которые сочетают свойства обоих в одной структуре. Из других обнаруженных аллотропов, углеродная нанопена является ферромагнитным аллотропом, обнаруженным в 1997 году. Она состоит из кластерной сборки атомов углерода с низкой плотностью, натянутых вместе в рыхлую трехмерную сеть, в которой атомы тригонально связаны в шести- и семичленных кольцах. Она относится к числу самых легких твердых веществ с плотностью около 2 кг / м3. Аналогичным образом, стеклообразный углерод содержит высокую долю закрытой пористости, но, в отличие от обычного графита, графитовые слои не сложены в виде страниц в книге, но имеют более случайное расположение. Линейный ацетиленовый углерод имеет химическую структуру - (C::: C) n-. Углерод в этой модификации является линейным с орбитальной гибридизацией sp и является полимером с чередующимися одиночными и тройными связями. Этот карбин представляет значительный интерес для нанотехнологий, поскольку его модуль Юнга в сорок раз больше, чем у самого твердого материала – алмаза. В 2015 году команда из Университета Северной Каролины объявила о разработке еще одного аллотропа, который они назвали Q-углерод, созданный высокоэнергетическим лазерным импульсом низкой длительности на аморфной углеродной пыли. Сообщается, что Q-углерод проявляет ферромагнетизм, флуоресценцию и имеет твердость, превосходящую алмазы.

Распространенность

Углерод является четвертым по распространенности химическим элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Углерод изобилует в Солнце, звездах, кометах и атмосферах большинства планет. Некоторые метеориты содержат микроскопические алмазы, которые были сформированы, когда солнечная система все еще была протопланетным диском. Микроскопические алмазы также могут образовываться при интенсивном давлении и высокой температуре в местах воздействия метеорита. В 2014 году, НАСА объявила об обновленной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. Более 20% углерода во Вселенной могут быть связаны с ПАУ, комплексными соединениями углерода и водорода без кислорода . Эти соединения фигурируют в мировой гипотезе ПАУ, где они, предположительно, играют роль в абиогенезе и формировании жизни. Похоже, что ПАУ были сформированы «через пару миллиардов лет» после Большого взрыва, широко распространены во вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами. По оценкам, твердая оболочка земли, в целом, содержит 730 чнм углерода, при этом 2000 чнм содержатся в сердцевине и 120 чнм – в комбинированной мантии и коре. Поскольку масса земли составляет 5,9 72 × 1024 кг, это будет означать 4360 миллионов гигатонн углерода. Это намного больше, чем количество углерода в океанах или атмосфере (ниже). В сочетании с кислородом в углекислом газе, углерод находится в атмосфере Земли (приблизительно 810 гигатонн углерода) и растворяется во всех водоемах (приблизительно 36000 гигатонн углерода). В биосфере присутствует около 1900 гигатонн углерода. Углеводороды (такие как уголь, нефть и природный газ) также содержат углерод. Угольные «резервы» (а не «ресурсы») составляют около 900 гигатонн с, возможно, 18 000 Гт ресурсов. Запасы нефти составляют около 150 гигатонн. Доказанные источники природного газа составляют около 175 1012 кубических метров (содержащих около 105 гигатонн углерода), однако в исследованиях оценивается еще 900 1012 кубических метров «нетрадиционных» месторождений, таких как сланцевый газ, что составляет около 540 гигатонн углерода. Углерод также был обнаружен в гидратах метана в полярных регионах и под морями. По разным оценкам, количество этого углерода составляет 500, 2500 Гт, или 3000 Гт . В прошлом, количество углеводородов было больше. Согласно одному источнику, в период с 1751 по 2008 годы около 347 гигатонн углерода было выброшено в атмосферу в виде углекислого газа в атмосферу от сжигания ископаемого топлива. Другой источник добавляет количество, добавленное в атмосферу в период с 1750 года до 879 Гт, а общее количество в атмосфере, море и земле (например, торфяные болота) составляет почти 2000 Гт . Углерод является составной частью (12% по массе) очень больших масс карбонатных пород (известняк, доломит, мрамор и т. д.). Уголь содержит очень большое количество углерода (антрацит содержит 92-98% углерода) и является крупнейшим коммерческим источником минерального углерода, на который приходится 4000 гигатонн или 80% ископаемого топлива. Что касается индивидуальных аллотропов углерода, графит содержится в больших количествах в Соединенных Штатах (в основном, в Нью-Йорке и Техасе), в России, Мексике, Гренландии и Индии. Природные алмазы встречаются в горном кимберлите, содержащемся в древних вулканических «шеях» или «трубах». Большинство алмазных месторождений находится в Африке, особенно в Южной Африке, Намибии, Ботсване, Республике Конго и Сьерра-Леоне. Алмазные месторождения также обнаружены в Арканзасе, Канаде, Российской Арктике, Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии. Теперь бриллианты также извлекают со дна океана у мыса Доброй Надежды. Алмазы встречаются естественным образом, но сейчас производится около 30% всех промышленных алмазов, используемых в США. Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы на высотах 9-15 км в реакции, которая осаждается космическими лучами. Производятся тепловые нейтроны, которые сталкиваются с ядрами азота-14, образуя углерод-14 и протон. Таким образом, 1,2 × 1010% атмосферного углекислого газа содержит углерод-14. Астероиды, богатые углеродом, относительно преобладают во внешних частях пояса астероидов в нашей солнечной системе. Эти астероиды еще не были напрямую исследованы учеными. Астероиды могут использоваться в гипотетической угледобыче на основе космического пространства, что может быть возможно в будущем, но в настоящее время технологически невозможно.

Изотопы углерода

Изотопы углерода представляют собой атомные ядра, которые содержат шесть протонов плюс ряд нейтронов (от 2 до 16). У углерода есть два устойчивых, встречающихся в природе, изотопа. Изотоп углерод-12 (12С) образует 98,93% углерода на Земле, а углерод-13 (13С) образует оставшиеся 1,07%. Концентрация 12С еще больше увеличивается в биологических материалах, потому что биохимические реакции дискриминируют 13С. В 1961 году, Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) принял изотопный углерод-12 в качестве основы для атомных весов. Идентификация углерода в экспериментах с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) проводится с изотопом 13С. Углерод-14 (14С) представляет собой природный радиоизотоп, созданный в верхней атмосфере (нижняя стратосфера и верхняя тропосфера) путем взаимодействия азота с космическими лучами. Он находится в следовых количествах на Земле в количестве до 1 части на триллион (0,0000000001%), в основном, в атмосфере и поверхностных отложениях, в частности, торфе и других органических материалах. Этот изотоп распадается в ходе β-эмиссии 0,158 МэВ. Из-за относительно короткого периода полураспада, 5730 лет, 14С практически отсутствует в древних скалах. В атмосфере и в живых организмах, количество 14С почти постоянное, но снижается в организмах после смерти. Этот принцип используется в радиоуглеродном датировании, изобретенном в 1949 году, которое широко использовалось для определения возраста углеродистых материалов с возрастом до 40000 лет . Существует 15 известных изотопов углерода и наименьший срок жизни из них имеет 8C, который распадается за счет эмиссии протонов и альфа-распада и имеет период полураспада 1,98739 × 10-21 с. Экзотический 19C демонстрирует ядерный ореол, что означает, что его радиус значительно больше, чем можно было бы ожидать, если бы ядро было сферой постоянной плотности.

Образование в звездах

Формирование атомного ядра углерода требует почти одновременного тройного столкновения альфа-частиц (ядер гелия) внутри ядра гигантской или сверхгигантской звезды, что известно как тройной альфа-процесс, поскольку продукты дальнейших реакций ядерного синтеза гелия с водородом или другим ядром гелия производят литий-5 и бериллий-8 соответственно, оба из которых очень неустойчивы и почти мгновенно затухают обратно в более мелкие ядра . Это происходит в условиях температур более 100 мегакальвин и концентрации гелия, что недопустимо в условиях быстрого расширения и охлаждения ранней Вселенной, и поэтому во время Большого взрыва не было создано значительных количеств углерода. Согласно современной теории физической космологии, углерод образуется внутри звезд в горизонтальной ветви путем столкновения и трансформации трех ядер гелия. Когда эти звезды умирают как сверхновая, углерод рассеивается в космос в виде пыли. Эта пыль становится составным материалом для образования звездных систем второго или третьего поколения с аккрецированными планетами. Солнечная система – одна из таких звездных систем с обилием углерода, позволяющая существование жизни, как мы ее знаем. Цикл CNO является дополнительным механизмом слияния, который управляет звездами, где углерод работает как катализатор. Ротационные переходы различных изотопических форм монооксида углерода (например, 12CO, 13CO и 18CO) обнаруживаются в субмиллиметровом диапазоне длин волн и используются при изучении новообразующихся звезд в молекулярных облаках .

Углеродный цикл

В земных условиях, конверсия одного элемента в другой – явление очень редкое. Поэтому количество углерода на Земле эффективно постоянное. Таким образом, в процессах, которые используют углерод, он должен получаться откуда-то и утилизироваться в другом месте. Пути углерода в окружающей среде образуют углеродный цикл. Например, фотосинтетические установки извлекают углекислый газ из атмосферы (или морской воды) и строят его в биомассу, как в цикле Кальвина, процессе фиксации углерода. Некоторая часть этой биомассы съедается животными, в то время как некоторая часть углерода выдыхается животными в виде двуокиси углерода. Цикл углерода значительно сложнее, чем этот короткий цикл; например, некоторое количество двуокиси углерода растворяется в океанах; если бактерии не поглощают его, мертвое растительное или животное вещество может стать нефтью или углем, которое выделяет углерод при сжигании.

Соединения углерода

Углерод может образовывать очень длинные цепи взаимосвязанных углерод-углеродных связей, свойство, которое называется образованием цепочек. Углерод-углеродные связи устойчивы. Благодаря катанации (образованию цепочек), углерод образует бесчисленное количество соединений. Оценка уникальных соединений показывает, что большее количество из них содержат углерод. Аналогичное утверждение может быть сделано для водорода, потому что большинство органических соединений также содержат водород. Простейшая форма органической молекулы представляет собой углеводород – большое семейство органических молекул, которые состоят из атомов водорода, связанных с цепочкой атомов углерода. Длина цепи, боковые цепи и функциональные группы влияют на свойства органических молекул. Углерод встречается во всех формах известной органической жизни и является основой органической химии. При объединении с водородом, углерод образует различные углеводороды, которые важны для промышленности как хладагенты, смазочные материалы, растворители, как химическое сырье для производства пластмасс и нефтепродуктов, а также как ископаемое топливо. В сочетании с кислородом и водородом, углерод может образовывать множество групп важных биологических соединений, включая сахара, лигнаны, хитины, спирты, жиры и ароматические сложные эфиры, каротиноиды и терпены. С азотом, углерод образует алкалоиды, а с добавлением серы также образует антибиотики, аминокислоты и резиновые изделия. С добавлением фосфора к этим другим элементам, он образует ДНК и РНК, носители химического кода жизни и аденозинтрифосфат (АТФ), самую важную молекулу переноса энергии во всех живых клетках.

Неорганические соединения

Обычно углеродсодержащие соединения, которые связаны с минералами или которые не содержат водорода или фтора, обрабатываются отдельно от классических органических соединений; это определение не является строгим. Среди них простые оксиды углерода. Наиболее известным оксидом является двуокись углерода (CO2). Когда-то это вещество было главной составляющей палеоатмосферы, но сегодня является второстепенным компонентом атмосферы Земли . При растворении в воде, это вещество образует углекислоту (H2CO3), но, как и большинство соединений с несколькими односвязными кислородами на одном углероде, оно неустойчиво. Однако, через это промежуточное вещество образуются резонансные стабилизированные карбонатные ионы. Некоторыми важными минералами являются карбонаты, особенно кальциты. Углерод дисульфид (CS2) аналогичен. Другим распространенным оксидом является окись углерода (СО). Она образуется при неполном сгорании и является бесцветным газом без запаха. Каждая молекула содержит тройную связь и является довольно полярной, что приводит к тому, что она постоянно связывается с молекулами гемоглобина, вытесняя кислород, который имеет более низкую аффинность связывания. Цианид (CN-) имеет сходную структуру, но ведет себя подобно ионам галогенида (псевдогалоген). Например, он может образовывать молекулу нитрида цианогена (CN) 2), аналогичную диатомовым галогенидам. Другими необычными оксидами являются субоксид углерода (C3O2), неустойчивый монооксид углерода (C2O), триоксид углерода (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклогексангексон (C6O6) и меллитовый ангидрид (C12O9). С реактивными металлами, такими как вольфрам, углерод образует либо карбиды (C4-), либо ацетилиды (C2-2) с образованием сплавов с высокими температурами плавления. Эти анионы также связаны с метаном и ацетиленом, оба из которых являются очень слабыми кислотами. При электроотрицательности 2,5, углерод предпочитает образовывать ковалентные связи. Несколько карбидов представляют собой ковалентные решетки, такие как карборунд (SiC), который напоминает алмаз. Тем не менее, даже самые полярные и солеобразные карбиды не являются полностью ионными соединениями .

Металлоорганические соединения

Органометаллические соединения, по определению, содержат, по меньшей мере, одну связь углерод-металл. Существует широкий спектр таких соединений; основные классы включают простые соединения алкил-металл (например, тетраэтилэлид), η2-алкеновые соединения (например, соль Zeise) и η3-аллильные соединения (например, димер хлорида аллилпалладия); металлоцены, содержащие циклопентадиенильные лиганды (например, ферроцен); и карбеновые комплексы переходных металлов. Существует много карбонилов металлов (например, тетракарбонилникель); некоторые работники считают, что лиганд монооксида углерода является чисто неорганическим, а не металлоорганическим, соединением. В то время как считается, что углерод исключительно образует четыре связи, сообщается об интересном соединении, содержащем октаэдрический гексакоординированный атом углерода. Катион этого соединения представляет собой 2+. Это явление объясняется аурофильностью золотых лигандов. В 2016 году было подтверждено, что гексаметилбензол содержит атом углерода с шестью связями, а с не обычными четырьмя.

История и этимология

Английское название углерода (carbon) происходит от латинского carbo, обозначающего «уголь» и «древесный уголь» , отсюда же и французское слово charbon, что означает «древесный уголь». На немецком, голландском и датском языках названия углерода – Kohlenstoff, koolstof и kulstof соответственно, все в буквальном смысле означают угольную субстанцию. Углерод был обнаружен в доисторических временах и был известен в формах сажи и древесного угля в самых ранних человеческих цивилизациях. Алмазы были известны, вероятно, уже в 2500 г. до н.э. в Китае, а углерод в виде древесного угля был изготовлен в римские времена путем той же химии, что и сегодня, путем нагрева древесины в пирамиде, покрытой глиной, чтобы исключить воздух. В 1722 году Рене Антуан Ферхо де Реамур продемонстрировал, что железо превращается в сталь через поглощение какого-либо вещества, которое теперь известно как углерод. В 1772 году Антуан Лавуазье показал, что алмазы являются формой углерода; когда он сжигал образцы древесного угля и алмаза и обнаружил, что ни один из них не производил никакой воды, и что оба вещества выпускали равное количество углекислого газа на грамм. В 1779 году Карл Вильгельм Шееле показал, что графит, который считался формой свинца, вместо этого был идентичен древесному углю, но с небольшой примесью железа и что он давал «воздушную кислоту» (что является диоксидом углерода) при окислении азотной кислотой. В 1786 году французские ученые Клод Луи Бертолле, Гаспард Мондж и К. А. Вандермонд подтвердили, что графит, в основном, был углеродом, при окислении его в кислороде почти так же, как Лавуазье делал с алмазом. Некоторое количество железа снова оставалось, что, по мнению французских ученых, было необходимо для структуры графита. В своей публикации они предложили название carbone (латинское слово carbonum) для элемента в графите, который выделялся как газ при сжигании графита. Затем Антуан Лавуазье перечислил углерод как элемент в своем учебнике 1789 года. Новый аллотроп углерода, фуллерен, который был обнаружен в 1985 году, включает наноструктурные формы, такие как баккиболы и нанотрубки. Их первооткрыватели – Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли – получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Возникший в результате возобновленный интерес к новым формам приводит к открытию дополнительных экзотических аллотропов, включая стеклообразный углерод, и осознанию того, что «аморфный углерод» не является строго аморфным.

Производство

Графит

Коммерчески жизнеспособные природные отложения графита встречаются во многих частях мира, но наиболее экономически важные источники находятся в Китае, Индии, Бразилии и Северной Корее. Графитовые отложения имеют метаморфическое происхождение, обнаруженное в сочетании с кварцем, слюдой и полевыми шпатами в сланцах, гнейсах и метаморфизованных песчаниках и известняках в виде линз или жил, иногда толщиной в несколько метров или более. Запасы графита в Борроудейл, Камберленд, Англия, были вначале достаточного размера и чистоты, поэтому до 19-го века карандаши делались просто путем распиливания блоков из натурального графита на полоски перед обклеиванием полос в древесине. Сегодня меньшие отложения графита получают путем измельчения родительской породы и плавания более легкого графита на воде. Существует три типа натурального графита – аморфный, чешуйчатый или кристаллический. Аморфный графит имеет самое низкое качество и является наиболее распространенным. В отличие от науки, в промышленности «аморфный» относится к очень маленькому размеру кристалла, а не к полному отсутствию кристаллической структуры. Слово «аморфный» используется для обозначения продуктов с низким количеством графита и является самым дешевым графитом. Крупные месторождения аморфного графита находятся в Китае, Европе, Мексике и США. Плоский графит реже встречается и имеет более высокое качество, чем аморфный; он выглядит как отдельные пластины, которые кристаллизуются в метаморфических породах. Цена гранулированного графита может в четыре раза превышать цену аморфного. Чешуйчатый графит хорошего качества может быть переработан в расширяемый графит для многих применений, таких как антипирены. Первичные месторождения графита находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае, Германии и на Мадагаскаре. Жидкий или кусковой графит – самый редкий, самый ценный и высококачественный тип природного графита. Он находится в жилах вдоль интрузивных контактов в твердых кусках, и коммерчески добывается только в Шри-Ланке. Согласно USGS, мировое производство природного графита в 2010 году составило 1,1 миллиона тонн, при этом в Китае было добыто 800 000 тонн, в Индии – 130 000 т, в Бразилии – 76 000 т, в Северной Корее – 30 000 т и в Канаде – 25 000 т. Никакого природного графита не было добыто в Соединенных Штатах, но в 2009 году было добыто 118 000 т синтетического графита с оценочной стоимостью 998 млн. долл. США.

Алмаз

Поставки алмазов контролируются ограниченным числом бизнесов, а также высоко концентрируются в небольшом количестве мест по всему миру. Только очень небольшая доля алмазной руды состоит из реальных алмазов. Руда измельчается, во время чего необходимо принять меры для предотвращения разрушения крупных алмазов в этом процессе, а затем частицы сортируются по плотности. Сегодня алмазы добывают во фракции богатой алмазами с помощью рентгеновской флуоресценции, после чего последние шаги сортировки выполняются вручную. До распространения использования рентгеновских лучей, разделение проводилось с помощью смазочных лент; известно, что алмазы были обнаружены только в аллювиальных отложениях на юге Индии. Известно, что алмазы более склонны прилипать к массе, чем другие минералы в руде. Индия была лидером в производстве алмазов с момента их открытия примерно в IX веке до нашей эры до середины 18 века нашей эры, но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и к тому времени Индия была затомлена Бразилией, где первые алмазы были найдены в 1725 году. Алмазное производство первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началось только в 1870-х годах, после открытия алмазных месторождений в Южной Африке. Производство алмазов увеличивалось с течением времени, и с этой даты было накоплено всего 4,5 млрд каратов. Около 20% от этого количества было добыто только за последние 5 лет, и в течение последних десяти лет начали производство 9 новых месторождений, и еще 4 ждут скорого открытия. Большинство из этих месторождений находятся в Канаде, Зимбабве, Анголе и одно – в России. В Соединенных Штатах, алмазы были обнаружены в Арканзасе, Колорадо и Монтане. В 2004 году поразительное открытие микроскопического алмаза в Соединенных Штатах привело к выпуску в январе 2008 года массового отбора проб кимберлитовых труб в отдаленной части Монтаны. Сегодня большинство коммерчески жизнеспособных алмазных месторождений находятся в России, Ботсване, Австралии и Демократической Республике Конго. В 2005 году, Россия произвела почти одну пятую мирового запаса алмазов, по сообщению Британской Геологической Службы. В Австралии самая богатая диамантированная труба достигла пиковых уровней производства в 42 метрических тонны (41 тонна, 46 коротких тонн) в год в 1990-х годах. Существуют также коммерческие месторождения, активные добычи которых осуществляются на Северо-Западных территориях Канады, Сибири (в основном, на территории Якутии, например, в Трубе «Мир» и в Удачной трубе), в Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии.

Применения

Углерод необходим для всех известных живых систем. Без него невозможно существование жизни, такой, как мы ее знаем. Основное экономическое использование углерода, кроме продуктов питания и древесины, относится к углеводородам, в первую очередь, к ископаемому топливу метановому газу и сырой нефти. Сырая нефть перерабатывается нефтеперерабатывающими заводами для производства бензина, керосина и других продуктов. Целлюлоза представляет собой природный углеродсодержащий полимер, производимый растениями в виде дерева, хлопка, льна и конопли. Целлюлоза используется, в основном, для поддержания структуры растений. Коммерчески ценные углеродные полимеры животного происхождения включают шерсть, кашемир и шелк. Пластмассы изготавливают из синтетических углеродных полимеров, часто с атомами кислорода и азота, включенными через регулярные интервалы в основную полимерную цепь. Сырье для многих из этих синтетических веществ поступает из сырой нефти. Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Углерод может образовывать сплавы с железом, наиболее распространенным из которых является углеродистая сталь. Графит сочетается с глинами, образуя «свинец», используемый в карандашах, используемых для письма и рисования. Он также используется в качестве смазки и пигмента в качестве формовочного материала при производстве стекла, в электродах для сухих батарей и гальванизации и гальванопластики, в щетках для электродвигателей и в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Уголь используется как материал для изготовления произведений искусства, в качестве гриля для барбекю, для выплавки железа и имеет множество других применений. Древесина, уголь и нефть используются в качестве топлива для производства энергии и для отопления. Алмазы высокого качества используются в производстве ювелирных изделий, а промышленные алмазы используются для сверления, резки и полировки инструментов для обработки металлов и камня. Пластмассы изготавливаются из ископаемых углеводородов, а углеродное волокно, изготовленное путем пиролиза синтетических полиэфирных волокон, используется для армирования пластмасс с образованием передовых, легких композиционных материалов. Углеродное волокно изготавливается путем пиролиза экструдированных и растянутых нитей полиакрилонитрила (PAN) и других органических веществ. Кристаллическая структура и механические свойства волокна зависят от типа исходного материала и последующей обработки. Углеродные волокна, изготовленные из PAN, имеют структуру, напоминающую узкие нити графита, но термическая обработка может переупорядочить структуру в непрерывный лист. В результате, волокна имеют более высокую удельную прочность на растяжение, чем сталь. Углеродная сажа используется в качестве черного пигмента в печатных красках, масляной краске и акварелях художников, углеродной бумаге, автомобильной отделке, чернилах и лазерных принтерах. Углеродная сажа также используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, таких как шины и в пластмассовых соединениях. Активированный уголь используется в качестве абсорбента и адсорбента в фильтровальных материалах в таких разнообразных применениях, как противогазы, очистка воды и кухонные вытяжки, а также в медицине для поглощения токсинов, ядов или газов из пищеварительной системы. Углерод используется при химическом восстановлении при высоких температурах. Кокс используется для восстановления железной руды в железе (плавка). Затвердевание стали достигается за счет нагрева готовых стальных компонентов в углеродном порошке. Карбиды кремния, вольфрама, бора и титана входят в число самых твердых материалов и используются в качестве абразивов для резки и шлифования. Углеродные соединения составляют большую часть материалов, используемых в одежде, таких как натуральный и синтетический текстиль и кожа, а также почти все внутренние поверхности в среде, отличной от стекла, камня и металла.

Бриллианты

Алмазная промышленность подразделяется на две категории, одна из которых – алмазы высокого качества (драгоценные камни), а другая – алмазы промышленного класса. Хотя существует большая торговля обоими типами алмазов, оба рынка действуют совершенно по-разному. В отличие от драгоценных металлов, таких как золото или платина, бриллианты драгоценных камней не торгуются как товар: в продаже алмазов имеется существенная надбавка, и рынок перепродажи алмазов не очень активен. Промышленные алмазы ценятся, в основном, за их твердость и теплопроводность, при этом геммологические качества ясности и цвета, в основном, неактуальны. Около 80% добытых алмазов (равно примерно 100 млн каратов или 20 тонн в год) непригодны для использования, и используются в промышленности (алмазный лом). Синтетические алмазы, изобретенные в 1950-х годах, почти сразу нашли промышленные применения; Ежегодно производится 3 млрд каратов (600 тонн) синтетических алмазов. Доминирующим промышленным использованием алмаза является резка, сверление, шлифовка и полировка. Большинство этих применений не требуют больших алмазов; на самом деле, большинство алмазов драгоценного качества, за исключением алмазов небольшого размера, могут использоваться в промышленности. Алмазы вставляются в наконечники сверл или пильные диски или измельчаются в порошок для использования в шлифовании и полировке. Специализированные применения включают использование в лабораториях в качестве хранилища для экспериментов высокого давления, высокопроизводительных подшипников и ограниченное использование в специализированных окнах. Благодаря достижениям в области производства синтетических алмазов, новые применения становятся практически осуществимыми. Большое внимание уделяется возможному использованию алмаза в качестве полупроводника, подходящего для микрочипов, и из-за его исключительной теплопроводности в качестве радиатора в электронике.

В этой книге слово «углерод» встречается довольно часто: в рассказах о зелёном листе и о железе, о пластмассах и кристаллах и ещё во многих других. Углерод - «рождающий уголь» - один из удивительнейших химических элементов. Его история - это история возникновения и развития жизни на Земле, потому что он входит в состав всего живого Земли.

А как выглядит углерод?

Сделаем несколько опытов. Возьмём сахар и нагреем его без доступа воздуха. Он сначала расплавится, станет коричневым, а потом почернеет и превратится в уголь, выделив воду. Если теперь нагреть этот уголь в присутствии , он сгорит без остатка и превратится в . Стало быть, сахар состоял из угля и воды (сахар, кстати, и называют углеводом), а «сахарный» уголь - это, видимо, и есть чистый углерод, потому что углекислый газ - это соединение углерода с кислородом. Значит, углерод - чёрный, мягкий порошок.

Возьмём серый мягкий камень графит, хорошо тебе знакомый благодаря карандашам. Если его нагреть в кислороде, он тоже сгорит без остатка, хотя и немного медленней, чем уголь, а в приборе, где он горел, останется углекислый газ. Значит, графит тоже чистый углерод? Конечно, но и это ещё не всё.

Если в том же приборе в кислороде накалить алмаз, прозрачный сверкающий драгоценный камень, самый твердый из всех минералов, он тоже сгорит, превратившись в углекислый газ. Если же нагревать алмаз без доступа кислорода, он превратится в графит, а при очень высоких давлениях и температурах можно из графита получить алмаз.

Итак, уголь, графит и алмаз - это различные формы существования одного и того же элемента - углерода.

Ещё более удивительна способность углерода «принимать участие» в огромном количестве разнообразных соединений (поэтому-то слово «углерод» так часто встречается в этой книге).

104 элемента периодической системы образуют более сорока тысяч изученных соединений. А соединений, основу которых составляет углерод, уже известно свыше миллиона!

Причина такого разнообразия заключается в том, что атомы углерода могут соединяться между собой и с другими атомами прочной связью, образуя сложные в виде цепей, колец и других фигур. Ни один элемент в таблице , кроме углерода, не способен на это.

Бесконечно число фигур, которые можно построить из атомов углерода, и поэтому бесконечно число возможных его соединений. Это могут быть и очень простые вещества, например светильный газ метан, в молекуле которого четыре атома связаны с одним атомом углерода, и настолько сложные, что строение их молекул ещё не установлено. К таким веществам относится

Характеристика элемента

6 С 1s 2 2s 2 2p 2

Изотопы: 12 С (98,892 %); 13 С (1,108%); 14 С (радиоактивный)

Кларк в земной коре 0,48 % по массе. Формы нахождения:

в свободном виде (каменный уголь, алмазы);

в составе карбонатов (СаСO 3 , МgСO 3 и др.);

в составе горючих ископаемых (уголь, нефть, газ);

в виде СO 2 - в атмосфере (0,03 % по объему);

в Мировом океане - в виде анионов НСO 3 - ;

в составе живой материи (-18 % углерода).

Химия соединений углерода - это, в основном, органическая химия. В курсе неорганической химии изучаются следующие С-содержащие вещества: свободный углерод, оксиды (СО и СO 2), угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты.

Свободный углерод. Аллотропия.

В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин. Эти видоизменения углерода различаются кристаллохимическим строением и физическими характеристиками.

Алмаз

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.

Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см 3).

Графит

В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.

Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.

Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.

Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.

Карбин

Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:

С=С-С=С-... и...=С=С=С=

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства углерода

При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.

С - активный восстановитель:

1. Взаимодействие с кислородом

С + O 2 = СO 2 + 393,5 кДж (в избытке O 2)

2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при недостатке O 2)

Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой.

С + 2F 2 = CF 4 тетрафторид углерода

С + 2S = CS 2 сероуглерод

3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

С + ZnO = Zn + СО

4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбид кальция

5. Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO 2 = Si + 2СО

6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н 2 , называемую водяным газом:

С + Н 2 О = СО + Н 2

7. Реакции с окисляющими кислотами.

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO 3 - и SO 4 2- из концентрированных кислот:

С + 4HNO 3 = СO 2 + 4NO 2 + 2Н 2 О

С + 2H 2 SO 4 = СO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О

8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO 3 и NaNO 3 измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5С + 4KNO 3 = 2К 2 СO 3 + ЗСO 2 + 2N 2

С - малоактивный окислитель:

1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С -4 и (С=С) 2- , образуя солеобразные карбиды:

ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 карбид алюминия

2С + Са = СаС 2 карбид кальция

3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3

СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

4. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

5. Взаимодействие с водородом

При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2НН 2 → СНН 4

Реакция очень обратима и не имеет практического значения.

Структура алмаза (а) и графита (б)

Углерод (латинское Carboneum ) - С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза, графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19%.

Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды , соединения углерода с металлами , а также с бором и кремнием (например, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов . Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость .

Историческая справка

Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец".

В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа . Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867.

В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.

Свойства

Известны четыре кристаллические модификации углерода:

• графит,
• алмаз,
• карбин,
• лонсдейлит.

Графит - серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2) графит термодинамически стабилен.

Алмаз - очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400°С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется .

Жидкий углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемый «аморфный» углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» углерода выше 1500-1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит.

Физические свойства «аморфного» углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность , теплоёмкость , теплопроводность и электропроводность «аморфного» углерода всегда выше, чем графита.

Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см 3). Построен из длинных цепочек атомов С , уложенных параллельно друг другу.

Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.

Сплавы

Сталь

Кокс применяют в металлургии, как восстановитель. Древесный уголь – в кузнечных горнах, для получения пороха (75%KNO 3 + 13%C + 12%S), для поглощения газов (адсорбция), а также в быту. Сажу применяют, как наполнитель резины, для изготовления черных красок – типографская краска и тушь, а также в сухих гальванических элементах. Стеклоуглерод применяют для изготовления аппаратуры для сильно агрессивных сред, а также в авиации и космонавтике.

Активированный уголь поглощает вредные вещества из газов и жидкостей: им заполняют противогазы, очистительные системы, его применяют в медицине при отравлениях.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод - основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО 2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Применение радиоактивного изотопа 14 C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Источники

Углерод (лат. Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14 С с периодом полураспада(Т ½ = 5,6·10 3 лет). Небольшие количества 14 С (около 2·10 -10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N. По удельной активности изотопа 14 С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14 С широко используется в качестве изотопного индикатора.

Историческая справка. Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.

В 1778 году К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 году Лавуазье. Латинское название сагboneum Углерод получил от carbo - уголь.

Распространение Углерода в природе. Среднее содержание Углерода в земной коре 2,3·10 -2 % по массе (1·10 -2 в ультраосновных, 1·10 -2 - в основных, 2·10 -2 - в средних, 3·10 -2 - в кислых горных породах). Углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% Углерода, древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть Углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.

Число собственных минералов Углерода - 112; исключительно велико число органических соединений Углерода - углеводородов и их производных.

С накоплением Углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т. д. Большую геохимическую роль в земной коре играют СО 2 и угольная кислота. Огромное количество СО 2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основные источник Углерода для биосферы.

По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает Углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые - основной источник энергии.

Огромное геохимическое значение имеет круговорот Углерода.

Углерод широко распространен также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

Физические свойства Углерода. Известны несколько кристаллических модификаций Углерода: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит и другие. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а = 2,462Å, c = 6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 °С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется. Жидкий Углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2) и температурах выше 3700 °С. Для твердого Углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемых "аморфный" Углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей "аморфного" Углерода выше 1500-1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства "аморфного" Углерод очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность "аморфного" Углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9-2 г/см 3). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно.

Химические свойства Углерода. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Углерода 2s 2 2p 2 . Для Углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp 3 . Поэтому Углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счет sp 3 -, sp 2 - и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов Углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами Углерода.

Уникальная способность атомов Углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений Углерода, изучаемых органической химией.

В соединениях Углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С 4- 2,60Å, С 4+ 0,20Å. При обычных условиях Углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" Углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием оксида углерода (IV) СО 2 и оксида углерода (II) СО.

СО 2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 году О. Дильс получил недооксид Углерода С 3 О 2 . Все формы Углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO 3 и КСlO 3 и других). "Аморфный" Углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение Углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом Углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углерода синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы СОХ 2 (где X - галоген) наиболее известна хлороксид СОСl (фосген). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" Углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном метан СН 4 , при 1500-2000 °С - ацетилен С 2 Н 2 ; в продуктах могут присутствовать также других углеводороды, например этан С 2 Н 6 , бензол С 6 Н 6 . Взаимодействие серы с "аморфным" Углеродом и графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS 2 . Другие соединения Углерода, содержащие серу (тиооксид CS, тионедооксид С 3 S 2 , серооксид COS и тиофосген CSCl 2), получают косвенным путем. При взаимодействии CS 2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие Углерода с азотом с получением циана (CN) 2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений Углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, галогенцианы, нитрилы и других При температурах выше 1000 °С Углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы Углерода при нагревании восстанавливают оксиды металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Рb и других) или карбидов (СаС 2 , Мо 2 С, WC, ТаС и других). Углерод реагирует при температурах выше 600-800 °С с водяным паром и углекислым газом (Газификация топлив). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа С 8 Ме, С 24 Ме, С 8 Х (где X - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 и другие (например, бисульфат графита C 24 SO 4 H 2). Все формы Углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).

Народнохозяйственное значение Углерода определяется тем, что свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластических масс и других.

Углерод в организме. Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления Углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один других элемент периодической системы. Между атомами Углерода, а также между Углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность Углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с других атомами Углерода создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома Углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органических соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерода служили метан (СН 4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является оксид углерода (IV) (СО 2), находящийся в атмосфере, а также растворенный в природных водах в виде НСО 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерода (в форме СО 2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т СО 2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО 2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют Углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника Углерода углеводороды нефти, - одна из важных современное научно-технических проблем.

Содержание Углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основные за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду СО 2 . Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерода вновь превращается в СО 2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть Углерода минерализуется и образует залежи ископаемого Углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Помимо основной функции - источника Углерода - СО 2 , растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО 3 Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других Такие соединения Углерода, как HCN, СО, ССl 4 , преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов Углерода, в природе распространен радиоактивный 14 С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов Углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота Углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н 14 СО 3 - растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14 С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.