Углерод и его свойства

УГЛЕРОД.Углерод лат. Carboneum , С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны двастабильных изотопа 12С 98,892 и 13С 1,108 . Углерод известен с глубокой древности.Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - какдрагоценный камень. Значительно позднее стали применяться графит дляизготовления тиглей и карандашей.В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой,обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяетсяуглекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А.Лавуазье 1772 по изучения горения алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта 1797 ,доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равныеколичества углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан тольков 1789 А.Лавуазье.

Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo уголь.Распространение в природе Среднеесодержание углерода в земной коре 2,3 10-2 по массе 1 10 2 вультраосновных, 1 10 2 в основных, 2 10 2 всредних, 3 10 2 в кислых горных породах . Углерода накапливается в верхней части земнойкоры биосфере в живом веществе 18 углерода, в древесине 50 , в каменномугле 80 , в нефти 85 , антраците 96 .Значит часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.Число собственных минералов углерода - 112 исключительно велико число органических соединений углерода - углеводородов иих производных.С накоплением углерода в земной коре связанонакопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом иосаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д. По сравнению со средним содержанием в земной коречеловечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр уголь, нефть, природный газ , т.к. эти ископаемые основные источникиэнергии.Углерод широко распростран н также в космосе наСолнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

Физические и химические свойства Известнычетыре кристаллические модификации углерода графит, алмаз, карбин илонсдейлит.

Графит - серо-черная,непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическимблеском.

При комнатной температуре и нормальном давлении 0,1 Мн м2,или 1кгс см2 графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическоевещество.Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку а 3,560Б. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен.Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 С в вакууме или в инертной атмосфере.

При атмосферномдавлении и температуре около 3700 Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн м2 1051 кгс см2 и температурах выше 3700 С. Для твердого углерода кокс, сажа, древесный уголь характерно такжесостояние с неупорядоченной структурой аморфный углерод, который непредставляет собой самостоятельной модификации в основе его строения лежитструктура мелкокристаллического графита.Нагревание некоторых разновидностей аморфного углерода выше 1500-1600 С без доступа воздухавызывает их превращение в графит. Физические свойства аморфный углерода оченьсильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность,теплоемкость, теплопроводность и электропроводность аморфный углерода всегдавыше, чем графита.

Карбин полученискусственно.Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета плотность 1,9 - 2 г см3 . Построен из длинных цепочекатомов С, уложенных параллельно друг другу.

Лонсдейлитнайден в метеоритах и получен искусственно его структура и свойстваокончательно не установлены.Конфигурация внешней оболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характерно образование четырехковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки досостояния 2sp3. Поэтому углерод способен в равной степени какпритягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться засчет sp3 sp2- и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационныечисла 4,3 и 2. Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталейодинаково это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода.

Уникальнаяспособность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных идлинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразныхсоединений углерода, изучаемых органической химией.В соединениях углерод проявляет степени окисления -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 высокихтемпературах он соединяется со многими элементами, проявляя сильныевосстановительные свойства.Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам имедленно окисляются только очень сильными окислителями хромовая смесь, смеськонцентриров.

HNO3 и KCIO3 и др Аморфный углерод реагирует с фтором прикомнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственносоединение углерода с хлором происходитв электрической дуге с бромом и йодом углерод не реагирует, поэтомумногочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путем.

Изоксигалогенидов общей формулы COX2 гдеХ - галоген наиболее известная хлорокись COCI2 фосген .При температурах выше 1000 С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода принагревании 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 -800 С с водяным паром и углекислым газом.Все формы углерода нерастворимы в обычныхнеорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторыхрасплавленных металлах например, Fe, Ni, Co .Народнохозяйственноезначение Углерод определяется тем, что свыше 90 всехпервичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо,главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия,несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики.

Только около 10 добываемого топлива используется в качестве сырья для основногоорганического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластичныхмасс и др.Углерод в организме Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющийоснову жизни на Земле, структурная единица огромного числа органическихсоединений, участвующих в построении организмов и обеспечении ихжизнедеятельности биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярныебиологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др. .Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счетокисления углерода.

Возникновение жизни на Земле рассматривается в современнойнауке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль углерода в живой природе обусловленаего свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элементпериодической системы.

Между атомами углерода, а также между углеродом идругими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могутбыть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях эти связи могутбыть одинарными, двойными и тройными . Способность углерода образовывать 4равнозначные валентные связи с другими атомами.Углерод создает возможность дляпостроения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных,циклических.

Показательно, что всего три элемента - С, О, Н - составляют 98 общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность вживой природе при практически безграничном структурном разнообразииуглеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтезаорганических веществ.Особенности строения атома углерода лежит в основеразличных видов изомерии органических соединений способность коптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот,углеводов и некоторых алкалоидов .Согласногипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имелиабиогенное происхождение.

Источниками углерода служили СН4 ицианистый водород HCN ,содержавшиеся в первичнойатмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганическогоуглерода, за счет которого образуется вс органическое вещество биосферы,является углерода двуокись СО2 ,находящийся в атмосфере, атакже растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощныймеханизм усвоения ассимиляция углерода в форме СО2 - фотосинтез- осуществляется повсеместно зелеными растениями.

На Земле существует иэволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза вэтом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергиюСолнца, а энергию окисления неорганических соединений.Большинство животныхпотребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений.

Взависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофныеорганизмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белкаи других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качествеединственного источника углерода, углеводороды нефти одна из важныхсовременных научно - технических проблем.Помимо стабильных изотоповуглерода, в природе распространен радиоактивный 14С в организмечеловека его содержится около 0,1мккюри . С использованием изотоповуглерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупныедостижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе.

Так, спомощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3растениями и тканями животных, установлена последовательность реакциифотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многихбиологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовалоуспехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачинаследственной информации.

Определение удельной активности 14С вуглеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, чтоиспользуется в палеонтологии и археологии.