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=3,560Á. 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 0,77Á,ковалентные радиусы 0,77Á, 0,67Á, 0,60Á соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус С4-
2,60Á, С4+ 0,20Á. 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.
|
