Температура плавления

Температура плавления. выше 3500С. Химически стоек. Сгорает при 870С в присутствии кислорода. При 1800С в отсутствие кислорода превращается в графит. Прозрачные кристаллы после обработки - бриллианты. Добывают из россыпей и коренных месторождений. Синтетический алмаз получают из графита при высоких давлении и температуре. Он чаще полупрозрачный или непрозрачный имеет кристаллическую структуру и свойства природного алмаза.

Жидкий углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мнм 105 кгссм и температурах выше 3700С. Кокс, сажа, древесный уголь твердый углерод имеют то же строение, что и графит. Для тврдого углерода 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 1500-1600С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства аморфного углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, тепломкость, теплопроводность и электропроводность аморфного углерода всегда выше, чем графита.

Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чрного цвета плотность 2 гсм. Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу.

Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно его структура и свойства окончательно не установлены. А Б Структура алмаза а и графита б. Конфигурация внешней электронной оболочки атома углерода 2s2p. Для углерода характерно образование четырх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp. Химическая связь может осуществляться за счет sp3 sp2- 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.

Строение атома углерода. Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода углеводородов, изучаемых органической химией. В соединениях углерод проявляет степени окисления -4 2 4. Атомный радиус 0,77Б, ковалентные радиусы 0,77Б, 0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной, двойной и тройной связях ионной радиус С4- 2,60Б, С4 0,20Б. 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 300-500С, 600-700С и 850-1000С с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO. CO2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты.

В 1906 О. Дильс получил недоокись углерода C3O2. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями хромовая смесь, смесь концентрированных HNO3 и KClO3 и др Аморфный углеод 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 путм. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 где Х - галоген наиболее известна хлорокись COCl2 фосген.

Водород с алмазом не взаимодействует с графитом и аморфным углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов никель Ni, платина Pt при 600-1000С образуется в основном метан CH4, при 1500-2000С - ацетилен C2H2, в продуктах могут присутствовать также другие углеводороды, например этан C2H6, бензол C6H6. Взаимодействие серы с аморфным углеродом и графитом начинается при 700-800С, с алмазом при 900-1000С во всех случаях образуется сероуглерод CS2. Другие соединения углерода, содержащие серу тиоокись CS, тионедоокись C3S2, сероокись COS и тиофосген CSCl2, получают косвенным путм. При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты.

Взаимодействие углерода с азотом с получением циана CN2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота.

Среди азотсодержащих соединений углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN и его многочисленные производные цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов Zn, Cd, Cu, Pb и др. или карбидов CaC2, Mo2C, WC, TaC и др Углерод реагирует при температурах выше 600-800С с водяным паром и углекислым газом.

Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C8Me, C24Me, C8X где Х - галоген, Me - металл. Известны соединения включения графита с HNO3, H2SO4, FeCl3 и другие например, бисульфат графита C24SO4H2. Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах например, железо Fe, никель Ni, кобальт Co. Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них - и - являются стабильными, а один радиоактивным в организме человека его содержится около 0,1мккюри. С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе.

Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии. 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 др Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счт окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Содержание углерода в живых организмах в расчте 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. Роль углерода в живой природе. Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой 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 другими атомами углерода создат возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - углерод С, кислород О и водород Н - составляют 98 общей массы живых организмов.

Этим достигается определнная 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 органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили метан CH4 и цианистый водород HCN, содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счт которого образуется вс органическое вещество биосферы, является двуокись углерода CO2, находящаяся в атмосфере, а также растворнная в природных водах в виде HCO-3. Наиболее мощный механизм усвоения ассимиляции углерода в форме CO2 - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелными растениями ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CО2. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения CO2 путм 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 современных научно-технических проблем. Помимо основной функции - источника углерода - двуокись углерода CO2, растворнная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды.

В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных например, раковины моллюсков, а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения углерода, как HCN, CO, CCl4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Круговорот углерода. Углерод - основной биогенный элемент он играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,510 т углерода в виде органической массы, что соответствует 5,8610 Дж 1,410кал энергии.

Растения частично поедаются животными при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи. В конечном счте органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим др. каустобиолитам - каменным углям, нефти, горючим газам. Круговорот углерода.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии например, гнилостные, а также многие грибы например, плесневые. В активном круговороте углерода участвует очень небольшая часть всей его массы. Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие. Таблица Содержание углерода на поверхности Земли и в земной коре 16 км мощности В т В г на 1 см поверхности Земли Животные 5109 0,0015 Растения 510 0,1 Атмосфера 6,410 0,125 Океан 3,810 7,5 Массивные кристаллические породы базальты и др. 1,71014 33,0 основные породы Граниты, гранодиориты 2,91015 567 Угли, нефти и другие каустобиолиты 6,41015 663 Кристаллические сланцы 11016 2000 Карбонаты 1,31016 2500 Всего 3,21016 5770 Многие водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков.

Из атмосферы было извлечено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней находится в данный момент.

Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органического вещества, карбонатов и др а также, вс в большей мере, в результате индустриальной деятельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой.

В процессе круговорота углерода происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу C - C, особенно в магматогенном процессе образование CO2, алмазов, карбонатов, при биогенном образовании органического вещества угля, нефти, тканей организмов и др Применение углерода. Углерод широко используется в виде простых веществ. Драгоценный алмаз является предметом ювелирных украшений непрозрачный алмаз - ценный абразив, а так же материал для изготовления резцов и другого инструмента.

Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Графит применяют для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, твердых смазочных материалов в ракетной технике как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах компонент состава для изготовления стержней для арандашей для получения алмаза наполнитель пластмасс.

Каменноугольный кокс используется в черной металлургии в качестве топлива и восстановителя в доменных печах и вагранках. Нефтяной и электродный пековый кокс применяется для изготовления угольных и графитированных электродов, реже - как топливо. Сажа технический углерод применяется как наполнитель в производстве резины, пластмасс пигмент в лакокрасочной промышленности для изготовления электродов и т. п. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием например, Al4C3, SiC, B4C отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента.

Углерод применяется для получения металлов из их оксидов. 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. Применение алмаза в ювелирных украшениях, графита в карандашах.