Активный углерод. Валентные состояния атома углерода

Углерод (химический символ C) химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева , порядковый номер 6, атомная масса природной смеси изотопов 12,0107 г/моль.

История

Углерод в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода— алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.

Происхождение названия

Международное название: carbō — уголь.

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов— 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%) и одного радиоактивного изотопа 14 С (β-излучатель, Т ½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14 N (n, p) 14 C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде 14 С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода

Схемы строения различных модификаций углерода
a : алмаз, b : графит, c : лонсдейлит
d : фуллерен— букибол C 60 , e : фуллерен C 540 , f : фуллерен C 70
g : аморфный углерод, h : углеродная нанотрубка

лонсдейлит

фуллерены

углеродные нанотрубки

аморфный углерод

Уголь техуглерод сажа

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

Тетраэдрическая — образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp 3 -гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.

Тригональная - образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.

Дигональная — образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Графит и алмаз

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода— алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 Kалмаз начинает переходить в графит, выше 2100 Kпревращение совершается за секунды. ΔН 0 перехода— 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т =4130 K, р =10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 Kи давлении 11—12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20% выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита— лонсдейлит (а =0,252 нм, с =0,412 нм, пространственная группа Р6 3 /ттс), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких матералах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, например смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно— окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl 4 в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода , уложенных параллельно друг другу.

Карбин— линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В.В.Коршаком, А.М.Сладковым, В.И.Касаточкиным и Ю.П.Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР .Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение— в фотоэлементах.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С 60 , С 70 , C 80 , C 90 , C 100 и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок.

Аморфный углерод

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре 0,1% по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых— антрацит (94—97% С), бурые угли (64—80% С), каменные угли (76—95% С), горючие сланцы (56—78% С), нефть (82—87% С), горючих природных газов (до 99% метана), торф (53—56% С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО 2 , в воздухе 0,046% СО 2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18%).
В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21% (15кг на 70кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина)
Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО 2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов— в почву и в виде СО 2 — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C 2 N 2 , галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С 0 к С 4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения— оксид углерода CO и диоксид углерода СО 2 . Известен также неустойчивый оксид С 3 О 2 (температура плавления −111°C, температура кипения 7°C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н 2 при 1200°C, с F 2 — соответственно 900°C.

CO 2 с водой образует слабую угольную кислоту— H 2 CO 3 , которая образует соли— Карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк и др. минералы) и магния (доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N 2 образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н 2 и N 2 получают синильную кислоту. С серой углерод дает сероуглерод CS 2 , известны также CS и C 3 S 2 . С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С +Н 2 О =СО +Н 2 (Газификация твердых топлив). При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25%, по массовой доле— около 18%.

Применение

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м.К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.
В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода— производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей)— для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода— для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

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 пожирают 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.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ)— один из важнейших источников энергии для человечества.

Токсическое действие

Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажив составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5— 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15).10 9 Бк/сут 14 СО 2 .

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания— в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Токсическое действие 14 С, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (14 С (β) → 14 N) и трансмутационным эффектом— изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация 14 С в воздухе рабочей зоны ДК А 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДК Б 4,4 Бк/л, в воде 3,0.10 4 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2.10 8 Бк/год.

Дополнительная информация

— Соединения углерода
— Радиоуглеродный анализ
— Ортокарбоновая кислота

Аллотропные формы углерода:

Алмаз
Графен
Графит
Карбин
Лонсдейлит
Углеродные нанотрубки
Фуллерены

Аморфные формы:

Сажа
Технический углерод
Уголь

Изотопы углерода:

Нестабильные (менее суток): 8C: Углерод-8, 9C: Углерод-9, 10C: Углерод-10, 11C: Углерод-11
Стабильные: 12C: Углерод-12, 13C: Углерод-13
10—10 000 лет: 14C: Углерод-14
Нестабильные (менее суток): 15C: Углерод-15, 16C: Углерод-16, 17C: Углерод-17, 18C: Углерод-18, 19C: Углерод-19, 20C: Углерод-20, 21C: Углерод-21, 22C: Углерод-22

Таблица нуклидов

Углерод, Carboneum, С (6)
Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропическими видоизменениями углерода — алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь — явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII -- XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения.

При сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерода» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье. В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2,) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Международное название Carboneum происходит от лат. carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare — гореть; корень саг, cal, русское гар, гал, гол, санскритское ста означает кипятить, варить. Со словом «carbo» связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle — уголь (старогерманское kolo, шведское kylla -- нагревать). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от древнегреческого — несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого — пишу.

В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод.

Одним из самых удивительных элементов, который способен формировать огромное количество разнообразных соединений органической и неорганической природы, является углерод. Это настолько необычный по свойствам элемент, что еще Менделеев предрекал ему большое будущее, говоря о не раскрытых пока особенностях.

Позже это подтвердилось практически. Стало известно, что он - главный биогенный элемент нашей планеты, входящий в состав абсолютно всех живых существ. Помимо этого, способный существовать в таких формах, которые кардинально различаются по всем параметрам, но при этом состоят только лишь из атомов углерода.

В общем, особенностей у этой структуры много, именно с ними и постараемся разобраться в ходе статьи.

Углерод: формула и положение в системе элементов

В периодической системе элемент углерод располагается в IV (по новому образцу в 14) группе, главной подгруппе. Его порядковый номер 6, а атомный вес 12,011. Обозначение элемента знаком С говорит о его названии на латыни - carboneum. Есть несколько различных форм, в которых существует углерод. Формула его поэтому бывает различна и зависит от конкретной модификации.

Однако для написания уравнений реакций обозначение конкретное, конечно, есть. В целом, когда говорится о веществе в чистом виде, принята молекулярная формула углерода С, без индексации.

История открытия элемента

Сам по себе этот элемент известен с самой древности. Ведь один из главнейших минералов в природе - это каменный уголь. Поэтому для древних греков, римлян и других народностей секретом он не был.

Помимо этой разновидности, также использовали алмазы и графит. С последним долгое время было много запутанных ситуаций, так как часто без анализа состава за графит принимали такие соединения, как:

• серебристый свинец;
• карбид железа;
• сульфид молибдена.

Все они были окрашены в черный цвет и поэтому считались графитом. Позже это недоразумение было разъяснено, и данная форма углерода стала сама собой.

С 1725 года большое коммерческое значение приобретают алмазы, а в 1970 освоена технология получения их искусственным путем. С 1779 года, благодаря работам Карла Шееле, изучаются химические свойства, которые проявляет углерод. Это послужило началом ряда важнейших открытий в области данного элемента и стало основой для выяснения всех его уникальнейших особенностей.

Изотопы углерода и распространение в природе

Несмотря на то что рассматриваемый элемент - один из важнейших биогенных, его общее содержание в массе земной коры составляет 0,15 %. Так происходит от того, что он подвергается постоянной циркуляции, естественному круговороту в природе.

В целом можно назвать несколько соединений минерального характера, в состав которых входит углерод. Это такие природные породы, как:

• доломиты и известняки;
• антрацит;
• горючие сланцы;
• природный газ;
• каменный уголь;
• нефть;
• бурый уголь;
• торф;
• битумы.

Помимо этого, не следует забывать и о живых существах, которые являются просто хранилищем углеродных соединений. Ведь им образованы белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, а значит самые жизненно важные структурные молекулы. В целом на пересчет сухой массы тела из 70 кг 15 приходится на чистый элемент. И так у каждого человека, не говоря уже о животных, растениях и прочих существах.

Если же рассмотреть и воды, то есть гидросферу в целом и атмосферу, то здесь присутствует смесь углерод-кислород, выражаемая формулой СО 2 . Диоксид или углекислый газ - один из основных газов, составляющих воздух. Именно в таком виде массовая доля углерода составляет 0,046%. Еще больше растворено углекислого газа в водах Мирового океана.

Атомная масса углерода как элемента составляет 12,011. Известно, что данная величина рассчитывается как среднее арифметическое между атомными весами всех существующих в природе изотопных разновидностей, с учетом их распространенности (в процентном соотношении). Так происходит и у рассматриваемого вещества. Есть три главных изотопа, в виде которых находится углерод. Это:

• 12 С - его массовая доля в подавляющем большинстве составляет 98,93 %;
• 13 С - 1,07 %;
• 14 С - радиоактивный, период полураспада 5700 лет, устойчивый бетта-излучатель.

В практике определения геохронологического возраста образцов широко применяется радиоактивный изотоп 14 С, который является индикатором, благодаря своему длительному периоду распада.

Аллотропные модификации элемента

Углерод - это такой элемент, который в виде простого вещества существует в нескольких формах. То есть он способен формировать самое большое из известных на сегодня число аллотропных модификаций.

1. Кристаллические вариации - существуют в виде прочных структур с правильными решетками атомного типа. К данной группе относятся такие разновидности, как:

• алмазы;
• фуллерены;
• графиты;
• карбины;
• лонсдейлиты;
• и трубки.

Все они различаются решетки, в узлах которых - атом углерода. Отсюда и совершенно уникальные, не схожие свойства, как физические, так и химические.

2. Аморфные формы - их образует атом углерода, входящий в состав некоторых природных соединений. То есть это не чистые разновидности, а с примесями других элементов в незначительном количестве. В данную группу входят:

• активированный уголь;
• каменный и древесный;
• сажа;
• углеродная нанопена;
• антрацит;
• стеклоуглерод;
• техническая разновидность вещества.

Их также объединяют особенности строения кристаллической решетки, объясняющие и проявляемые свойства.

3. Соединения углерода в виде кластеров. Такая структура, при которой атомы замыкаются в особую полую изнутри конформацию, заполняемую водой или ядрами других элементов. Примеры:

• углеродные наноконусы;
• астралены;
• диуглерод.

Физические свойства аморфного углерода

Из-за большого разнообразия аллотропных модификаций, выделить какие-то общие физические свойства для углерода сложно. Проще говорить о конкретной форме. Так, например, аморфный углерод обладает следующими характеристиками.

1. В основе всех форм - мелкокристаллические разновидности графита.
2. Высокая теплоемкость.
3. Хорошие проводниковые свойства.
4. Плотность углерода около 2 г/см 3 .
5. При нагревании свыше 1600 0 С происходит переход в графитовые формы.

Сажа, и каменные разновидности находят широкое применение в технических целях. Они не являются проявлением модификации углерода в чистом виде, однако содержат его в очень большом количестве.

Кристаллический углерод

Существует несколько вариантов, в которых углерод - вещество, формирующее правильные кристаллы различного вида, где атомы соединяются последовательно. В результате происходит образование следующих модификаций.

1. - кубическая, в которой соединяются четыре тетраэдра. В результате все ковалентные химические связи каждого атома максимально насыщенны и прочны. Это объясняет физические свойства: плотность углерода 3300 кг/м 3 . Высокая твердость, низкая теплоемкость, отсутствие электрической проводимости - все это является результатом строения кристаллической решетки. Существуют технически полученные алмазы. Образуются при переходе графита в следующую модификацию под влиянием высокой температуры и определенного давления. В целом так же высока, как и прочность - около 3500 0 С.
2. Графит. Атомы расположены подобно структуре предыдущего вещества, однако происходит насыщение только трех связей, а четвертая становится более длинной и менее прочной, она соединяет между собой "слои" гексагональных колец решетки. В результате получается, что графит - мягкое, жирное на ощупь вещество черного цвета. Обладает хорошей электрической проводимостью и имеет высокую температуру плавления - 3525 0 С. Способно к сублимации - возгонке из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое (при температуре 3700 0 С). Плотность углерода - 2,26 г/см 3, что гораздо ниже таковой у алмаза. Это объясняет их различные свойства. Из-за слоистой структуры кристаллической решетки, возможно использование графита для изготовления грифелей простых карандашей. При проведении по бумаге чешуйки отслаиваются и оставляют на бумаге след черного цвета.
3. Фуллерены. Открыты были лишь в 80-х годах прошлого столетия. Представляют собой модификации, в которых углероды соединяются между собой в особую выпуклую замкнутую структуру, имеющую в центре пустоту. Причем форма кристалла - многогранник, правильной организации. Количество атомов четное. Самая известная форма фуллерен С 60 . Образцы подобного вещества были найдены при исследованиях:

• метеоритов;
• донных отложений;
• фольгуритов;
• шунгитов;
• космического пространства, где содержались в виде газов.

Все разновидности кристаллического углерода имеют важное практическое значение, поскольку обладают рядом полезных в технике свойств.

Химическая активность

Молекулярный углерод проявляет низкую химическую активность вследствие своей устойчивой конфигурации. Заставить его вступать в реакции можно лишь сообщив атому дополнительную энергию и заставив электроны внешнего уровня распариться. В этот момент валентность становится равна 4. Поэтому в соединениях он имеет степень окисления + 2, + 4, - 4.

Практически все реакции с простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, протекают под влиянием высоких температур. Рассматриваемый элемент может быть как окислителем, так и восстановителем. Однако последние свойства выражены у него особенно сильно, именно на этом основано применение его в металлургической и других отраслях промышленности.

В целом способность вступать в химическое взаимодействие зависит от трех факторов:

• дисперсности углерода;
• аллотропной модификации;
• температуры реакции.

Таким образом, в ряде случаев происходит взаимодействие со следующими веществами:

• неметаллами (водородом, кислородом);
• металлами (алюминием, железом, кальцием и прочими);
• оксидами металлов и их солями.

С кислотами и щелочами не реагирует, с галогенами очень редко. Важнейшее из свойств углерода - способность образовывать длинные цепи между собой. Они могут замыкаться в цикл, формировать разветвления. Так происходит образование органических соединений, которые на сегодняшний день исчисляются миллионами. Основа этих соединений два элемента - углерод, водород. Также в состав могут входить и другие атомы: кислород, азот, сера, галогены, фосфор, металлы и прочие.

Основные соединения и их характеристика

Существует множество различных соединений, в состав которых входит углерод. Формула самого известного из них - СО 2 - углекислый газ. Однако помимо этого оксида, существует еще СО - монооксид или угарный газ, а также недооксид С 3 О 2 .

Среди солей, в состав которых входит данный элемент, самыми распространенными являются карбонаты кальция и магния. Так, карбонат кальция имеет несколько синонимов в названии, так как в природе встречается в виде:

• мела;
• мрамора;
• известняка;
• доломита.

Важное значение карбонатов щелочноземельных металлов проявляется в том, что они активные участники процессов образования сталактитов и сталагмитов, а также подземных вод.

Угольная кислота - еще одно соединение, которое образует углерод. Формула ее - Н 2 СО 3 . Однако в обычном виде она крайне неустойчива и сразу же в растворе распадается на углекислый газ и воду. Поэтому известны лишь ее соли, а не она сама, как раствор.

Галогениды углерода - получаются в основном косвенным путем, так как прямые синтезы идут лишь при очень высоких температурах и с низким выходом продукта. Одно из самых распространенных - CCL 4 - тетрахлорметан. Ядовитое соединение, способное при вдыхании вызвать отравление. Получают при реакциях радикального фотохимического замещения в метане.

Карбиды металлов - соединения углерода, в которых он проявляет степень окисления 4. Также возможно существование объединений с бором и кремнием. Главное свойство карбидов некоторых металлов (алюминия, вольфрама, титана, ниобия, тантала, гафния) - это высокая прочность и отличная электропроводность. Карбид бора В 4 С - одно из самых твердых веществ после алмаза (9,5 по Моосу). Данные соединения используются в технике, а также химической промышленности, как источники получения углеводородов (карбид кальция с водой приводит к образованию ацетилена и гидроксида кальция).

Многие сплавы металлов изготавливают с использованием углерода, значительно повышая тем самым их качественные и технические характеристики (сталь - сплав железа с углеродом).

Отдельного внимания заслуживают многочисленные органические соединения углерода, в которых он - основополагающий элемент, способный соединяться с такими же атомами в длинные цепи различного строения. К ним можно отнести:

• алканы;
• алкены;
• арены;
• белки;
• углеводы;
• нуклеиновые кислоты;
• спирты;
• карбоновые кислоты и многие другие классы веществ.

Применение углерода

Значение соединений углерода и его аллотропных модификаций в жизни человека очень велико. Можно назвать несколько самых глобальных отраслей, чтобы стало понятно, что это действительно так.

1. Данный элемент образует все виды органического топлива, из которого человек получает энергию.
2. Металлургическая промышленность использует углерод как сильнейший восстановитель для получения металлов из их соединений. Здесь же находят широкое применение карбонаты.
3. Строительство и химическая промышленность потребляют огромное количество соединений углерода для синтеза новых веществ и получения необходимых продуктов.

Также можно назвать такие отрасли хозяйства, как:

• ядерная промышленность;
• ювелирное дело;
• техническое оборудование (смазки, жаропрочные тигли, карандаши и прочее);
• определение геологического возраста пород - радиоактивный индикатор 14 С;
• углерод - прекрасный адсорбент, что позволяет использовать его для изготовления фильтров.

Круговорот в природе

Масса углерода, находящегося в природе, включена в постоянный круговорот, который циклически совершается ежесекундно по всему земному шару. Так, атмосферный источник углерода - СО 2 , поглощается растениями и выделяется всеми живыми существами в процессе дыхания. Попадая в атмосферу, он снова поглощается, и так цикл не прекращается. При этом отмирание органических остатков приводит к высвобождению углерода и накоплению его в земле, откуда затем он снова поглощается живыми организмами и выводится в атмосферу в виде газа.

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.

В этой статье мы рассмотрим элемент, входящий в состав периодической таблицы Д.И. Менделеева, а именно углерод. В современной номенклатуре он обозначается символом С, входит в четырнадцатую группу и является «участником» второго периода, имеет шестой порядковый номер, а его а.е.м. = 12.0107.

Атомные орбитали и их гибридизация

Начнем рассмотрение углерода с его орбиталей и их гибридизации - его главных особенностей, благодаря которым он и по сей день заставляет удивляться ученых всего мира. Каково же их строение?

Гибридизации атома углерода устроена таким образом, что валентные электроны занимают позиции на трех орбиталях, а именно: один находится на орбитали 2s, а два - на 2p-орбиталях. Последние две из трех орбиталей образуют угол, равный 90 градусам по отношению друг к другу, а 2s-орбиталь обладает сферической симметрией. Однако данная форма устройства рассматриваемых орбиталей не позволяет нам понять, почему же углерод, входя в органические соединения, образует углы в 120, 180 и 109.5 градусов. Формула электронного строения атома углерода выражает себя в следующем виде: (He) 2s 2 2p 2 .

Разрешение возникшего противоречия было сделано при помощи введения в оборот понятия гибридизации атомных орбиталей. Чтобы понять трехгранную, вариантную природу С, потребовалось создать три формы представления о его гибридизации. Главный вклад в появление и развитие данной концепции был сделан Лайнусом Полингом.

Свойства физического характера

Строение атома углерода обуславливает наличие ряда некоторых особенностей физического характера. Атомы этого элемента образуют простое вещество - углерод, который имеет модификации. Вариации изменений его строения могут придавать образовавшемуся веществу различные качественные характеристики. Причина наличия большого количества модификаций углерода заключается в его способности устанавливать и образовывать разнотипные связи химической природы.

Строение атома углерода может варьироваться, что позволяет ему иметь определенное количество изотопных форм. Углерод, находимый в природе, образуется при помощи двух изотопов в стабильном состоянии - 12 C и 13 C - и изотопа с радиоактивными свойствами - 14 С. Последний изотоп сосредотачивается в верхних слоях коры Земли и в атмосфере. Вследствие влияния космического излучения, а именно его нейтронов, на ядро атомов азота, образуется радиоактивный изотоп 14 С. После середины пятидесятых годов двадцатого века он стал попадать в окружающую среду в качестве техногенного продукта, образованного при работе АЭС, и вследствие использования водородной бомбы. Именно на процессе распада 14 С основывается методика радиоуглеродного датирования, нашедшая свое широкое применение в археологии и геологии.

Модификация углерода в аллотропной форме

В природе существует множество веществ, в состав которых входит углерод. Человек использует строение атома углерода в собственных целях при создании различных веществ, среди которых:

1. Кристаллические углероды (алмазы, углеродные нанотрубки, волокна и проволоки, фуллерены и т.д.).
2. Аморфные углероды (активированный и древесный уголь, различные виды кокса, техуглерод, сажа, нанопена и антрацит).
3. Кластерные формы углерода (диуглероды, наноконусы и астраленовые соединения).

Структурные особенности атомного строения

Электронное строение атома углерода может обладать различной геометрией, которая зависит от уровня гибридизации орбиталей, которыми он обладает. Существует 3 главных вида геометрии:

1. Тетраэдрическая - создается вследствие смещения четырех электронов, один из которых s-, а три принадлежат к p-электронам. Атом С занимается центральное положение в тетраэдре, связывается четырьмя равносильным сигма-связями с другими атомами, занимающими вершину данного тетраэдра. При таком геометрическом расположении углерода могут образоваться его аллотропные формы, например алмаз и лонсдейлит.
2. Тригональная - обязана своим появлением смещению трех орбиталей, из которых одна s- и две p-. Здесь имеются три сигма-связи, которые находятся между собой в равносильной положении; они залегают в общей плоскости и придерживаются угла в 120 градусов по отношению друг к другу. Свободная р-орбиталь располагается перпендикулярно по отношению к плоскости сигма-связей. Подобной геометрией строения обладает графит.
3. Диагональная - появляется благодаря смешиванию s- и p-электронов (гибридизация sp). Электронные облака вытягиваются вдоль общего направления и принимают форму несимметричной гантели. Свободные электроны создают π-связи. Данное строение геометрии в углероде дает начало появлению карбина, особой формы модификации.

Атомы углерода в природе

Строение и свойства атома углерода издавна рассматриваются человеком и используются с целью получения большого количества разнообразных веществ. Атомы этого элемента, благодаря своей уникальной способности образовывать разные химические связи и наличию гибридизации орбиталей, создают множество различных аллотропных модификаций при участии всего лишь одного элемента, из атомов одного типа, - углерода.

В природе углерод содержится в земной коре; принимает формы алмазов, графитов, различных горючих природных богатств, например, нефти, антрацита, бурого угля, сланцев, торфа и т.д. Входит в состав газов, используемых человеком в энергетической промышленности. Углерод в составе его диоксида заполняет гидросферу и атмосферу Земли, причем в воздухе доходит до 0.046%, а в воде - до шестидесяти раз больше.

В организме человека С содержится в количестве, приблизительно равном 21%, а выводиться преимущественно с мочой и выдыхаемым воздухом. Этот же элемент участвует в биологическом цикле, он поглощается растениями и расходуется в ходе процессов фотосинтеза.

Атомы углерода благодаря своей способности устанавливать разнообразные ковалентные связи и строить из них цепи, и даже циклы, могут создавать огромнейшее количество веществ органической природы. Помимо этого, данный элемент входит в состав солнечной атмосферы, пребывая в соединениях с водородом и азотом.

Свойства химической природы

Теперь рассмотрим строение и свойства атома углерода с химической точки зрения.

Важно знать, что углерод проявляет инертные свойства в условиях обычной температуры, но может показывать нам свойства восстановительного характера под влиянием высоких температур. Основные степени окисления: + - 4, иногда +2, а также +3.

Участвует в реакции с большим количеством элементов. Может вступать в реакции с водой, водородом, галогенами, щелочными металлами, кислотами, фтором, серой и т.д.

Строение атома углерода порождает невероятно огромное количество веществ, отделенных в отдельный класс. Такие соединения называются органическими и основываются на С. Это является возможным благодаря свойству атомов данного элемента образовывать полимерные цепи. Среди самых известных и обширных групп находятся протеины (белки), жиры, углеводы и углеводородные соединения.

Способы эксплуатации

Благодаря уникальному строения атома углерода и сопутствующим этому свойствам, элемент широко применяется человеком, например, при создании карандашей, выплавке металлических тиглей - здесь используют графит. Алмазы используются в качестве абразивных материалов, украшений, насадок для бормашин и т.д.

Фармакология и медицина также занимаются использованием углерода в разнообразных соединениях. Этот элемент входит в состав стали, служит основой для каждого органического вещества, участвует в процессе фотосинтеза и т.д.

Токсичность элемента

Строение атома элемента углерода заключает в себе наличие опасного воздействия на живую материю. Углерод попадает в мир вокруг нас в результате угольного сгорания на ТЭС, входит в состав газов, вырабатываемых автомобилями, в случае получения угольного концентрата и т.д.

Высок процент содержания углерода в аэрозолях, что влечет за собой увеличение процента заболеваемости людей. Чаще всего страдают верхние дыхательные пути и легкие. Некоторые заболевания можно относить к профессиональным, например, пылевой бронхит и болезни группы пневмокониоза.

14 С - токсичен, а силу его влияния определяет радиационное взаимодействие с β-частицами. Этот атом входит в составы биологических молекул, в том числе содержится в дезокси- и рибонуклеиновых кислотах. Допустимым количеством 14 С в воздухе рабочей зоны считается отметка в 1.3Бк/л. Максимальное количество поступающего в организм углерода во время дыхания равно соответствует 3.2*10 8 Бк/год.