Углерод

История

Углерод в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.

Происхождение названия

Международное название происходит от латинского carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда — и «уголь».

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Изотопы углерода

Подробнее в статье изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов — ¹²С (98,892 %) и ¹³С (1,108 %)и одного радиоактивного нуклида ¹⁴С (β-излучатель, Т_½= 5730 лет), состредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде ¹⁴С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода

Carbon_basic_phase_diagram.png углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации погут быть метастабильны.]]

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp³ гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
тригональная, образуется при смешении одного s- и двух p-электронов(sp² гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Четвертый электрон образует облако, вытянутое в направлении, перпендикулярном к плоскости sp² связей, и образует слабую π-связь с окружающими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов(sp гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Графит и алмаз

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1 200К алмаз начинает переходить в графит, выше 2 100 К превращение совершается за секунды. ΔН₀ перехода — 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 К. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4 130 К, р = 12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3 000 К и давлении 11—12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 К) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/ттс), плотность 3,51 г/см³, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или ССl₄ в низкотемпературной плазме.

Фуллерены и бигболы

Углерод известен также в виде кластерных частиц С₆₀, С₇₀ и подобных (фуллерены), а также нанотрубок.

Аморфный углерод и сажа

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, сажа, активный уголь.

Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре 0,48 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94-97 % С), бурые угли (64-80 % С), каменные угли (76-95 % С), горючие сланцы (56-78 % С), нефть (82-87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53-56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046 % СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО₂ в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО₂ поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде СО₂ — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500°С, 600—700°С и 850—1000°С.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C₂N₂, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С⁰ к С⁴⁺ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения — оксид углерода СО и диоксид СО₂. Известен также неустойчивый оксид С₃О₂ (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н₂ при 1200 °C, с F₂ — соответственно 900 °C и при комнатной температуре. <-- это как? -->

CO₂ с водой образует угольную кислоту — H₂CO₃, которая реагирует со многими металлами с образованием карбонатов. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция и магния.

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N₂ образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н₂ и N₂ получают синильную кислоту. С серой углерод дает сероуглерод CS₂, известны также CS и C₃S₂. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С + Н₂О = СО + Н₂ (см. Газификация твердых топлив). При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Применение

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО₂ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов(нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, алмаз неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза(до 2000 Вт/м*К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена(около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

Токсическое действие

Углерод входят в состав атмосферных аэрозолей в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Частицы углерода поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание поверхности Земли. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5 — 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)*10⁹ Бк/сут ¹⁴СО₂.

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Токсическое действие ¹⁴С, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (¹⁴С (β) → ¹⁴N) и трансмутационным эффектом — изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация ¹⁴С в воздухе рабочей зоны ДК_А 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДК_Б 4,4 Бк/л, в воде 3,0*10⁴ Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2 *10⁸ Бк/год.

См. также

Категория:Соединения углерода

Ссылки

Литература

Химия гиперкоординированного углерода, пер с англ., М., 1990.
Kirk — Othmer encyclopedia, 3 ed., vol.4, N.-Y., 1978, p.556-709.
Химия природных энергоносителей и углеродных материалов Т. В. Бухаркина, Н. Г. Дигуров

Химические элементы | Неметаллы | Органическая химия | Углерод

Gourt Home::Gourt :: Углерод