Что можно сделать из углерода
Перейти к содержимому

Что можно сделать из углерода

Углерод элемент. Свойства углерода. Применение углерода

Его называют основой жизни. Он есть во всех органических соединениях. Только он способен формировать молекулы из миллионов атомов, такие, как ДНК.

Узнали героя статьи ? Это углерод. Число его соединений, известных науке, приближается к 10 000 000.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-4

Столько не наберется у всех остальных, вместе взятых элементов. Не удивительно, что один из двух разделов химии изучает исключительно соединения углерода и проходится в старших классах.

Предлагаем вспомнить школьную программу, а так же, дополнить ее новыми фактами.

Что такое углерод

Во-первых, элемент углерод – составная таблицы Менделеева . В ее новом стандарте, вещество располагается в 14-ой группе.

В устаревшем варианте системы, углерод стоит в главной подгруппе 4-ой группы.

Обозначение элемента – буква С. Порядковый номер вещества – 6, относится к группе неметаллов.

Органический углерод соседствует в природе с минеральным. Так, графит , алмаз и камень фуллерен – 6-ой элемент в чистом виде.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-1

Различия во внешности обусловлены несколькими типами строения кристаллической решетки. От нее зависят и полярные характеристики минерального углерода.

Графит, к примеру, мягок, не зря же добавляется в пишущие карандаши, а алмаз тверже всех остальных камней на Земле. Поэтому, логично рассмотреть свойства самого углерода, а не его модификаций.

Свойства углерода

Начнем со свойств, общих для всех неметаллов. Они электроотрицательны, то есть, оттягивают на себя общие электронные пары, образованные с другими элементами.

Получается, углерод может восстановить оксиды неметаллов до состояния металлов.

Однако, делает это 6-ой элемент лишь при нагреве. В обычных условиях вещество химически инертно.

На внешних электронных уровнях неметаллов больше электронов, чем у металлов.

Именно поэтому, атомы 6-го элемента стремятся достроить толику собственных орбиталей, чем отдавать свои частицы кому-то.

Металлам же, с минимумом электронов на внешних оболочках проще отдать отдаленные частицы, чем перетягивать на себя чужие.

Главная форма 6-го вещества – атом. По идее, речь должна идти о молекуле углерода. Из молекул составлено большинство неметаллов.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-3

Однако, углерод с бором и кремнием – исключения, имеют атомную структуру. Именно за счет нее соединения элементов отличаются высокими температурами плавления.

Еще одно отличительное свойство многих форм углерода – твердость . У того же алмаза она максимальна, равна 10-ти баллам по шкале Мооса .

Раз разговор зашел о формах 6-го вещества, укажем, что кристаллическая – лишь одна из.

Атомы углерода не всегда выстраиваются в кристаллическую решетку. Встречается аморфная разновидность.

Примеры таковой: — древесный уголь , кокс, стеклоуглерод. Это твердые соединения, но не имеющие упорядоченной структуры.

Если же вещество соединено с другими, могут получиться и газы. Кристаллический углерод переходит в них при температуре в 3700 градусов.

В обычных условиях элемент газообразен, если это, к примеру, оксид углерода.

В народе его именуют угарным газом. Однако, реакция его образования активнее и быстрее, если, все же, поддать жару.

Газообразных соединений углерода с кислородом несколько. Есть еще, к примеру, монооксид.

Этот газ бесцветный и ядовитый, причем, при обычных условиях. Такая окись углерода имеет тройную связь в молекуле.

Но, вернемся к чистому элементу. Будучи довольно инертным в химическом плане, он, все же, может взаимодействовать не только с металлами, но и их оксидами, солями , и как видно из разговора про газы, с кислородом.

Реакция возможна и с водородом. Углерод вступит во взаимодействие, если «сыграет» один из факторов, или все вместе: температура, аллотропное состояние, дисперсность.

Под последней, подразумевается отношение площади поверхности частиц вещества к занимаемому ими объему.

Аллотропия – возможность нескольких форм одного и того же вещества, то есть, имеется в виду кристаллический, аморфный, или газообразный углерод.

Однако, как не совпадай факторы, с кислотами и щелочами элемент не реагирует вовсе. Игнорирует углерод и почти все галогены.

Чаще всего, 6-ое вещество связывается само с собой, образовывая те самые масштабные молекулы из сотен и миллионов атомов.

Сформированные молекулы, углерода реагируют с еще меньшим числом элементов и соединений.

Применение углерода

Применение элемента и его производных столь же обширно, как их число. Содержание углерода в жизни человека больше, чем может казаться.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-5

Активированный уголь из аптеки – 6-е вещество. Бриллиант в кольце из ювелирного магазина – он же.

Графит в карандашах – тоже углерод, нужный, так же, в ядерных реакторах и контактах электрических машин.

Метановое топливо тоже в списке. Диоксид углерода нужен для производства соды и может быть сухим льдом, то есть, хладагентом.

Углекислый газ служит консервантом, заполняя овощные хранилища, а еще, нужен для получения карбонатов.

Последние, используют в строительстве, к примеру, известняк . А карбонат натрия пригождается в мыловарении и стекольном производстве.

Формула углерода соответствует еще и коксу. Он пригождается металлургам.

Кокс служит восстановителем во время переплавки руды, извлечения из нее металлов.

Даже обычная сажа – углерод, используемый в качестве удобрения и наполнителя резин .

Не задумывались, почему автомобильные шины черного цвета? Это сажа. Она придает резине прочность.

Сажа, так же, входит в крема для обуви, краски для печати, туши для ресниц. Народное название употребляется не всегда. Промышленники зовут сажу техническим углеродом.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-2

Масса углерода начинает использоваться в сфере нанотехнологий. Сделаны сверхмалые транзисторы, а еще трубки, которые в 6-7 раз прочнее стали .

Вот вам и неметалл. К наноизысканиям, кстати, подключились ученые из Китая . Из углеродных трубок и графена они создали аэрогель.

Это твердый и прочный материал. Звучит увесисто. Но, на самом деле, аэрогель легче воздуха.

В железо углерод добавляют, чтобы получить так называемую углеродистую сталь. Она тверже обычной.

Однако, массовая доля 6-го элемента в сплаве не должна превышать пары, тройки процентов. Иначе, свойства стали идут на спад.

Список можно продолжать бесконечно. Но, где бесконечно брать углерод? Добывают его или синтезируют? На эти вопросы ответим в отдельной главе.

Добыча углерода

Двуокись углерода, метан, отдельно углерод, можно получать химическим путем, то есть, намеренным синтезом. Однако, это не выгодно.

Газ углерод и его твердые модификации проще и дешевле добывать попутно с каменным углем.

Из земных недр этого ископаемого извлекают примерно 2 миллиарда тонн ежегодно. Хватает, чтобы обеспечить мир техническим углеродом.

Что касается алмазов , их извлекают из кимбирлитовых трубок. Это вертикальные геологические тела, сцементированные лавой осколки породы.

Именно в таких встречаются алмазы . Поэтому, ученые предполагают, что минерал формируется на глубинах в тысячи километров, там же, где и магма.

Месторождения графита, напротив, горизонтальны, располагаются у поверхности.

Поэтому, добыча минерала довольно проста и не затратна. В год из недр извлекают около 500 000 тонн графита.

Углерод-элемент-Свойства-углерода-Применение-углерода-6

Чтобы получить активированный уголь, приходится нагреть каменный уголь и обработать струей водяного пара.

Ученые даже разобрались, как воссоздать белки человеческого тела. Их основа – тоже углерод. Азот и водород – аминогруппа, к нему примыкающая.

Нужен, так же, кислород. То есть, белки построены на аминокислоте. Она не у всех на слуху, но для жизни куда важнее остальных.

Популярные серная, азотная, соляная кислоты, к примеру, организму нужны куда меньше.

Так что, углерод – то, за что стоит платить. Узнаем, на сколько велик разброс цен на разные товары из 6-го элемента.

Цена углерода

Для жизни, как несложно понять, углерод бесценен. Что же касается остальных сфер бытия, ценник зависит от наименования продукции и ее качества.

За бриллианты , к примеру, платят больше, если камни не содержат сторонних включений.

Образцы аэрогеля, пока, стоят десятки долларов за несколько квадратных сантиметров.

Но, в будущем, производители обещают поставлять материал рулонами и просить недорого.

Технический углерод, то есть, сажа, реализуется по 5-7 рублей за кило. За тонну, соответственно, отдают около 5000-7000 рублей.

Однако, углеродный налог, вводимый в большинстве развитых стран, может обеспечить рост цен.

Углеродную промышленность считают причиной парникового эффекта. Предприятия обязывают платить за выбросы, в частности, CO2.

Это главный парниковый газ и, одновременно, индикатор загрязнения атмосферы. Эта информация – ложка дегтя в бочке меда.

Она позволяет понять, что у углерода, как и всего в мире, есть обратная сторона, а не только плюсы.

Углерод в природе; его опасность и сферы применения

Углеродный цикл

В природе углерода не так уж и много, но он есть везде: в воздухе (углекислый газ и угарный газ), растворен в океанах и реках, залегает в ископаемых породах в земле, содержится в каждой клетке растения, животного, человека. Существует круговорот углерода в природе:
— углекислый газ выделяется в атмосферу с вулканическими газами, из горячих источников, из поверхностных слоев рек и океанов, при сгорании топлив, при дыхании растений и животных;
— в тоже время, углекислый газ поглощается растениями, переходит в организм животных и людей, а после их смерти возвращается в почву.

В чистом виде и в значимых количествах углерод встречается только в виде алмазов и графитов. Но он — составная часть ископаемого топлива (уголь, нефть, газ, сланцы), торфа, битумов, природных минералов (мел, известняк, доломиты, карбонаты).

Токсическое действие

Опасность углерода

При разработках угольных месторождений, при сжигании топлив, в процессе деятельности человека в воздух поступает большое количество аэрозолей углерода, попадающих в органы дыхания человека и животных. Регулярное вдыхание аэрозолей с высокой концентрацией углерода приводят к таким заболеваниям, как пылевой бронхит, антракоз. На всех производствах, связанных с углеродными аэрозолями и пылью, обязательно нормируется ПДК содержания алмазов, кокса, угля, углеродной пыли, сажи и др. Работники обязательно должны использовать средства защиты органов дыхания при работе с ними.

Угарный газ и углекислый газ обладают токсическим действием, превышение ПДК этих газов в воздухе может вызвать летальный исход. Поэтому в закрытых помещениях большое внимание должно уделяться поглощению и удалению из воздуха углекислоты, выделяемой при дыхании.

Токсическим действием обладает радиоактивный изотоп С-14. Встраиваясь в молекулы белков, особенно в ДНК и РНК, он может оказывать мутагенное воздействие, поэтому для него тоже установлены ПДК содержания в воздухе рабочего помещения.

Применение

Нет ни одной области промышленности, в которой в той или иной степени не использовался бы углерод. Расскажем об основных сферах его использования:

свойства углерода

• Основные виды ископаемого топлива на земле: нефть, уголь и газ — это соединения углерода. Они нужны для получения тепла, энергии, огромного количества химических материалов.
• В сельском хозяйстве, в медицине, энергетике, в ядерной отрасли.
• В промышленной индустрии очень востребованы карбонаты.
• Графит используется при изготовлении карандашей, электродов, высокотемпературных и низкотемпературных смазок, красителей; тиглей для металлических заготовок, углепластиков, углеродных волокон, стеклоуглерода и других углеграфитовых материалов, отличающихся особо высокой жаростойкостью.
• Стеклоуглерод идет на производство тиглей и электродов.
• Техуглерод применяется как наполнитель при производстве резин для шин и пластмасс. Придает им прочность, долговечность и некоторые особые свойства.
• Алмазы применяются в технике, сверлении, лазерных установках, в ювелирном деле. Технические алмазы используются для получения абразивных материалов. Только сложность обработки и высокая стоимость мешают алмазам стать лучшим материалом для подложек процессоров.
• В медицине используется активированный уголь для вывода токсинов, а графит — в мазях для лечения болезней кожи.
• Фильтры на основе угля применяются в противогазах, респираторах, лицевых масках и сменных патронах для них; системах очистки воды.
• В научных исследованиях радиоуглеродный анализ на основе изотопа С-14 — один из самых важных анализов в археологии, геологии, палеонтологии.
• Большие перспективы у применения новых неорганических материалов на основе углерода. Об этом — следующая статья.

Углерод: физические и химические свойства

углерод

Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.

История открытия

На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.

Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.

Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.

алмаз

Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.

Место в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.

Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:

  • Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%)
  • Помимо этого известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14 С с периодом полураспада 5,73*10 3 лет в небольших количествах образуется в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.

Строение атома

Атом углерода имеет 2 оболочки (как впрочем, и все элементы, расположенные во втором периоде) и 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных p-орбиталях, при этом они являются неспаренными.

Строение атома углерода

Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.

Физические свойства

Своими физическими свойствами углерод типичный неметалл. При этом он образует множество аллотропных модификаций («аллотропные» означает существование двух и более разных веществ из одного химического элемента): наиболее популярными из них являются алмаз, графит, уголь, сажа. При этом алмаз – одно из самых твердых веществ, представляющих углерод.

Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.

Аллотропные модификации углерода

Химические свойства

В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:

— с кислородом
C 0 + O2 – t° = CO2 углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— с водяным паром
C 0 + H2O – 1200° = С +2 O + H2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O2

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S2 = СS2.

Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:

Ca + 2C 0 = CaC2 -4

Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:

Роль в природе

В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.

круговорот углерода в природе

Применение

Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.

Углерод

Углерод

Углерод (C, лат. carboneum ) — химический элемент, символизируемый буквой C и имеющий атомный номер 6. Элемент является четырехвалентным неметаллом, т. е. имеет четыре свободных электрона для формирования ковалентных химических связей. Он располагается в 14-й (по устаревшей классификации — в 4-й) группе периодической системы. Три изотопа данного элемента встречаются в окружающем нас мире. Изотопы 12 C и 13 C являются стабильными, в то время как 14 C- радиоактивный (период полураспада данного изотопа составляет 5,730 лет). Углерод был известен ещё в античном мире.

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, называемых органическими, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Происхождение названия
    • 2.1 Изотопы углерода
    • 3.1 Кристаллический углерод
    • 3.2 Аморфный углерод
    • 3.3 Кластерные формы
    • 3.4 Структура
    • 3.5 Графит и алмаз
    • 3.6 Жидкий углерод
    • 3.7 Углерод III
    • 3.8 Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)
    • 3.9 Карбин
    • 3.10 Фуллерены и углеродные нанотрубки
    • 3.11 Аморфный углерод (строение)
    • 3.12 Графен
    • 3.13 Углеродное кольцо
    • 5.1 Неорганические соединения
    • 5.2 Органические соединения

    Углерод

    История

    Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода — алмаз и графит.

    На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как 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. Поздние флогистики, Реомюр, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном 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 «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

    В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 год германский император 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 и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым 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, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона.

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

    Происхождение названия

    В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. carbō (род. п. carbōnis) «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 C (98,93 %) и 13 C (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14 C (β-излучатель, Т½= 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 C основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

    Аллотропные модификации углерода

    Углерод

    Углерод

    Кристаллический углерод

    • Алмаз
    • Графен
    • Графит
    • Карбин
    • Лонсдейлит
    • Наноалмаз
    • Фуллерены
    • Фуллерит
    • Углеродное волокно
    • Углеродные нановолокна
    • Углеродные нанотрубки

    Аморфный углерод

    • Активированный уголь
    • Древесный уголь
    • Ископаемый уголь: антрацит и Ископаемый уголь.
    • Кокс каменноугольный, нефтяной и др.
    • Стеклоуглерод
    • Техуглерод
    • Сажа
    • Углеродная нанопена

    На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

    Кластерные формы

    • Астралены
    • Диуглерод
    • Углеродные наноконусы

    Структура

    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 трёх 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 (sp 2 -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 аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. Термодинамический расчёт линии равновесия графит — алмаз на фазовой р, Т-диаграмме был выполнен в 1939 году О. И. Лейпунским. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается взрывообразно. ΔН0 перехода — 1,898 кДж/моль. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11—12 ГПа. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K.

    Жидкий углерод

    Жидкий углерод существует только при определённом внешнем давлении. Тройные точки: графит — жидкость — пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа и графит — алмаз — жидкость Т ≈ 4000 K, р ≈ 11 ГПа. Линия равновесия графит — жидкость на фазовой р, Т-диаграмме обладает положительным наклоном, переходящим по мере приближения к тройной точке графит — алмаз — жидкость в отрицательный, что связано с уникальными свойствами атомов углерода создавать углеродные молекулы, состоящие из различного количества атомов (от двух до семи). Наклон линии равновесия алмаз — жидкость, в отсутствие прямых экспериментов в области очень высоких температур (> 4000—5000 K) и давлений (> 10—20 ГПа), долгие годы считался отрицательным. Проведённые японскими исследователями прямые эксперименты и обработка полученных экспериментальных данных с учётом аномальности высокотемпературной теплоёмкости алмаза показали, что наклон линии равновесия алмаз — жидкость положителен, т. е. алмаз тяжелее своей жидкости (в расплаве он будет тонуть, а не всплывать как лёд в воде).

    В мае 2019 года в журнале Physical Review Letters опубликована работа российских учёных из Объединенного института высоких температур РАН А. М. Кондратьева и А. Д. Рахеля, в которой физики первыми, впервые в мире детально изучили и измерили свойства жидкой формы углерода. Результаты физического эксперимента позволили получить новые данные, которые были недоступны исследователям в условиях компьютерного моделирования. Тонкая пластина высокоориентированного пиролитического графита с гексагональной осью, перпендикулярной его поверхности, была зажата между двумя пластинами особого материала и нагрета при давлении от 0,3 до 2,0 ГигаПаскалей. Оказалось, что температура плавления графита при этих условиях составляет 6300–6700 Кельвинов, что более чем на 1000° выше значений, предсказанных теоретически и на математических моделях. Исследователи впервые в мире точно измерили физические показатели процесса плавления углерода и свойства его жидкой фазы (удельное сопротивление, энтальпию плавления, изохорную теплоёмкость и многие другие показатели этого загадочного вещества. Они также обнаружили, что скорость звука в жидком углероде возрастает при уменьшении плотности.

    Углерод III

    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 решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

    Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

    В 1980-е годы в СССР было обнаружено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ со 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 CCl4 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 или 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 1960-х годов 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 C60, C70, C80, C90, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.

    Аморфный углерод (строение)

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

    Графен

    Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

    Углеродное кольцо

    В 2019 г. впервые синтезирован один экземпляр молекулы, представляющей собой кольцо из 18 атомов углерода. В нем чередуются одинарные и тройные химические связи.

    Нахождение в природе

    Было оценено, что Земля в целом состоит из 730 ppm углерода, с содержанием 2000 ppm в ядре и 120 ppm в мантии и коре. Так как масса Земли 5,972⋅10 24 kg , то это предполагает наличие 4360 миллионов гигатонн углерода.

    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 CO2, в воздухе 0,046 % CO2 по массе, в водах рек, морей и океанов в

    60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (

    В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг 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 CO2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоёв океанических вод, а также при дыхании, брожении, гниении. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде CO2 поглощается из тропосферы растениями в процессе фотосинтеза. Затем из биосферы он вновь возвращается в геосферу, частично через организмы животных и человека, и в виде CO2 — 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.

    В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твёрдый углерод (≈25 %), так и значительные количества оксида кремния (≈35 %).

    Углерод

    Химические свойства

    При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах 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—501 °C, 600—700 °C и 800—1000 °C.

    Степень окисления бывает от −4 до +4. 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 с неметаллами при нагревании

    Известен также неустойчивый недооксид углерода C3O2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C12O9, C5O2, C12O12). Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты.

    На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

    Получен селенид углерода CSe2.

    Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C.

    При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью H2 и N2 получают синильную кислоту:

    Также такой же реакцией получают циан

    Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения.

    Реакции со сложными веществами
    Уравнение Описание
    C + H2O →to CO↑ + H2 Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром для получения синтез газа
    3C + S + 2KNO3 →to K2S + 3CO2↑ + N2 Горение чёрного пороха.
    5C + 4KNO3 → 2K2CO3 + 3CO2↑ + 2N2
    C + 2KNO3 → 2KNO2 + CO2
    С калиевой селитрой углерод проявляет восстановительные свойства.
    3C + BaSO4 → BaS + 2CO↑ + CO2 Восстанавливает сульфат бария
    C + MxOy → to M + CO↑
    C + CaO → 2500oC CaC2 + CO↑
    При сплавлении углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

    С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

    Органические соединения

    Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает 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, углеводы 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 используют в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Его невероятно высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды.

    Алмаз благодаря исключительной твердости — незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бурмашин. 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 себестоимость добычи алмазов ($97,47 за один карат) 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. В частности, углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)

    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 CO2 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 возвращением 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 поступает в окружающую среду в 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 CO2.

    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 C, вошедшего в состав биологических молекул (особенно в ДНК и РНК), определяется его радиационным взаимодействием с β-частицами ( 14 C (β) → 14 N), приводящим к изменению химического состава молекулы. Допустимая концентрация 14 С в воздухе рабочей зоны ДКА 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДКБ 4,4 Бк/л, в воде 3,0⋅10 4 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2⋅10 8 Бк/год.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.