Углерод

Углерод

УГЛЕРОД.

У

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 2,3*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/м2, или 1кгс/см2) 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/м2 (1051 кгс/см2) 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/см3).

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; +2; +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 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 (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 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 (СН4)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 (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.

-----------------------

[pic]