Углерод

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 с arboneum углерод получил от с arbo — уголь.

Распространение в природе: Среднее содержание углерода в земной коре 2,3 * 10 -2 % по массе (1 * 10 –2 в ультраосновных, 1 * 10 –2 в основных, 2 * 10 –2 в средних, 3 * 10 –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 распространён 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 Мн/м 2 , или 1кгс/см 2 ) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество.

Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560 . 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 атмосферном давлении и температуре около 3700 ° С графит возгоняется.

Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м 2 (1051 кгс/см 2 ) и температурах выше 3700 ° С. 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 1500-1600 ° С 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 г/см 3 ). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Л онсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.

Конфигурация внешней оболочки атома углерода 2 s 2 2p 2 . Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки до состояния 2 sp 3 . Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны.

Химическая связь может осуществляться за счет sp 3 -, sp 2 - 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; +2; +4. Атомный радиус 0,77 ,ковалентные радиусы 0,77 , 0,67 , 0,60 соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус С 4- 2,60 , С 4+ 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. HNO 3 и KCIO 3 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 COX 2 ( где Х - галоген ) наиболее известная хлорокись COCI 2 (фосген). При температурах выше 1000 ° С 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 ( CaC 2 , Mo 2 C, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600 - 800 ° С 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 (СН 4 )и цианистый водород ( HCN ),содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (СО 2 ),находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО 2 ) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО 2 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.