Углерод (С) - элемент IV группы периодической системы элементов; его порядковый номер (заряд ядра) 6, атомная масса 12,011. Особенность электронной структуры атомов элементов этой группы - число валентных электронов, равное 4, причем для углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Углерод - тринадцатый по распространенности элемент. Атомный кларк (среднее содержание) углерода для Земли в целом составляет около 0,1 % (А. Бранлоу, 1984 г.). В земной коре массовая доля углерода уже несколько больше - 0,14% (А. Б. Ронов, А. А. Ярошевский, 1971 г.), а в осадочной оболочке - около 1,4 % (Успенский, 1970).
| Геосфера | Содержание С,% | Распределение С, % |
| Ядро | 0,03 | |
| Мантия и базальтовая часть коры | 0,08 | |
| Гранитная оболочка | 0,09 | 1,1 |
| Стратосфера | 1,43 | 0,75 |
| Почвы и илы | 4,7 | 0,001 |
| Биосфера | 27,74 | 0,002 |
Углерод в природе находится частично в составе органических соединений, число которых чрезвычайно велико, но в основном (по массе) в виде сравнительно небольшого числа (около 200) неорганических соединений и в свободных формах. В осадочных породах он содержится главным образом в составе карбонатных минералов и органических веществ (соответственно около 80 и приблизительно 20 %). Углерод - основная часть всех животных и растений, но по массе в атмосфере его в два раза больше, чем в живой материи. В атмосфере почти весь углерод находится в составе СО2. В гидросфере более 90 % углерода представлено в виде СО2 и ионов СО32-, НСО3-.
Химию органических соединений чаще всего определяют как химию соединений углерода. При этом следует отметить, что подобное определение не является следствием преобладания углерода даже в живой материи. Еще в 1934 г. Уникальность углерода выражается в следующих особенностях этого элемента:
· атомы С образуют прочные связи не только с другими атомами, но и между собой, при этом возникают цепи и кольца;
· углерод четырехвалентен, что позволяет образование не только неразветвленных, но и разветвленных цепей и колец, это приводит к возможности возникновения большого количества разнообразных структур;
· атомы С могут связываться между собой как простыми, так и двойными и тройными (кратными) связями, что дополнительно увеличивает число углеводородных соединений.
Следствием особых химических свойств углерода можно считать устойчивость его органических природных соединений.
Изотопы углерода. Изотопы (?)- атомы одного и того же химического элемента с разными массовыми числами. Различают изотопы радиоактивные и стабильные. Нуклеид - разновидность атомных ядер с определенным числом протонов и нейтронов. Углерод состоит из смеси двух изотопов 12С - 98,99 % и 13С - 1,11 %, существуют следы 14С. Первые два изопота стабильны, третий радиоактивен (табл. 3).
Таблица 3. Изотопия углерода
| Нуклеид | Название изотопа | Протоны, Z | Нейтроны, N | Масс. число, A | Содержание в биосфере, вес. % |
| 126С | Углерод -12 | 98,89 | |||
| 136С | Углерод-13 | 1,11 | |||
| 146С | Углерод-14 | 1*10-11 |
Радиоуглерод - 14С - появляется в верхних слоях атмосферы при реакции нейтронов, образованных космическим излучением, с азотом.
Аллотропные формы углерода. Аллотропия - способность элемента существовать в двух или нескольких твердых формах. Аллотропы существуют примерно у половины химических элементов.
Графит - р = 1,8277 г/см3, tпл = 3750 ?С, tкип = 4200 °С - неметалл с атомной кристаллической решеткой (гексагональная), имеет слоистую структуру, поэтому легко расщепляется на слои, оставляя след на поверхности, темно-серый, мягкий, электрическая проводимость высокая (проводник), сублимируется при температуре выше 3800 °С. Может быть искусственно получен из угля. Графит используется для изготовления электродов, плавильных тиглей, стержней для карандашей, как замедлитель в ядерных реакторах.
Алмаз - р = 3,515 г/см3 - неметалл с атомной кристаллической решеткой (кубическая), прозрачные бесцветные или белые кристаллы с сильным преломляющим эффектом, имеет наибольшую твердость среди всех природных веществ, изолятор. Он может быть искусственно получен из графита (2000 °С, 5300 МПа). Алмаз применяется при изготовлении режущего и бурового инструментов, а также как абразивный материал.
Карбин получен искусственно, состоит из полимерных линейных молекул, атомы углерода связаны чередующимися простыми и кратными связями.
Фуллерит - твердое вещество с молекулярной кристаллической решеткой, образованной молекулами С60 или С70, называемых фуллеренами. Основной элемент структуры фуллеренов - шестиугольник из атомов углерода. Фуллерит является полупроводником.