Углерод

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

Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo уголь. Распространение в природе Среднее содержание углерода в земной коре 2,310-2 по массе 110 2 в ультраосновных, 110 2 в основных, 210 2 в средних, 310 2 в кислых горных породах.

Углерода накапливается в верхней части земной коры биосфере в живом веществе 18 углерода, в древесине 50 , в каменном угле 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 и их производных.С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д. По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр уголь, нефть, природный газ, т.к. эти ископаемые основные источники энергии. Углерод широко распространн также в космосе на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

Физические и химические свойства Известны четыре кристаллические модификации углерода графит, алмаз, карбин и лонсдейлит.

Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной температуре и нормальном давлении 0,1 Мнм2, или 1кгссм2 графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку а3,560. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен.Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400С в вакууме или в инертной атмосфере.

При атмосферном давлении и температуре около 3700С графит возгоняется. Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мнм2 1051 кгссм2 и температурах выше 3700С. Для твердого углерода кокс, сажа, древесный уголь характерно также состояние с неупорядоченной структурой 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 аморфный углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность аморфный углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно.Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета плотность 1,9 - 2 гсм3. Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно его структура и свойства окончательно не установлены. Конфигурация внешней оболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки до состояния 2sp3. Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. 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.

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

В соединениях углерод проявляет степени окисления -4. Атомный радиус 0,77,ковалентные радиусы 0,77, 0,67, 0,60 соответственно в одинарной, двойной и тройной связях ионной радиус С4- 2,60, С4 0,20. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.

Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями хромовая смесь, смесь концентриров.

HNO3 и KCIO3 и др Аморфный углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственно соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге с бромом и йодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 где Х - галоген наиболее известная хлорокись COCI2 фосген.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.

Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах например, Fe, Ni, Co. Народнохозяйственное значение Углерод определяется тем, что свыше 90 всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики.

Только около 10 добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластичных масс и др. 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 Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода.

Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.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.Углерод создает возможность для построения 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 в живой природе при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет на много сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ.Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов.

Согласно гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение.Источниками углерода служили СН4и цианистый водород HCN,содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется вс органическое вещество биосферы, является углерода двуокись СО2,находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный механизм усвоения ассимиляция углерода в форме СО2 - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями.

На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза в этом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений.

Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти одна из важных современных научно - технических проблем.Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С 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.