Вход
Регистрация Зарегистрируйтесь, чтобы получить расширенные возможности...

Углерод

Углеро́д (лат. Carboneum, от cаrbo — уголь; С, читается «це») — химический элемент с атомным номером 6, атомная масса 12,011. Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов: 12С, 98,892% по массе и 13C — 1,108%. В природной смеси нуклидов в ничтожных количествах всегда присутствует радиоактивный нуклид 14C (бета-излучатель, период полураспада 5730 лет). Он постоянно образуется в нижних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N:
147N + 10n = 146C + 11H.
Углерод расположен в группе IVA, во втором периоде периодической системы. Конфигурация внешнего электронного слоя атома в основном состоянии 2s2p2. Важнейшие степени окисления +2 +4, –4, валентности IV и II. Радиус нейтрального атома углерода 0,077 нм. Радиус иона C4+ 0,029 нм (координационное число 4), 0,030 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны 11,260, 24,382, 47,883, 64,492 и 392,09 эВ. Электроотрицательность по Полингу 2,5.
Редактировать

Историческая справка

Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь использовали для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. В 1789 французский химик А.Л. Лавуазье сделал вывод об элементарной природе углерода. Искусственные алмазы впервые были получены в 1953 шведскими исследователями, но результаты они не успели опубликовать. В декабре 1954 искусственные алмазы получили, а в начале 1955 опубликовали результаты сотрудники компании «Дженерал электрик».
В СССР искусственные алмазы впервые были получены в 1960 группой ученых под руководством В. Н. Бакуля и Л. Ф. Верещагина. В 1961 группой советских химиков под руководством В. В. Коршака была синтезирована линейная модификация углерода — карбин. Вскоре карбин был обнаружен в метеоритном кратере Рис (Германия). В 1969 в СССР были синтезированы нитевидные кристаллы алмаза при обычном давлении, обладающие высокой прочностью и практически лишенные дефектов. В 1985 Г. Крото обнаружил новую форму углерода —фуллерены С60 и С70 в масс-спектре испаряемого при облучении лазером графита. При высоких давлениях получен лонсдейлит.
Редактировать

Нахождение в природе

Содержание в земной коре 0,48% по массе. Накапливается в биосфере: в живом веществе 18% угля, в древесине 50%, торфе 62%, природных горючих газах 75%, горючих сланцах 78%, каменном и буром угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть угля литосферы сосредоточена в известняках и доломитах. Углерод в степени окисления +4 входит в состав карбонатных пород и минералов (мел, известняк, мрамор, доломиты). Углекислый газ CO2 (0,046% по массе) постоянный компонент атмосферного воздуха. Углекислый газ в растворенном виде всегда присутствует в воде рек, озер и морей. В атмосфере звезд, планет и в метеоритах обнаружены вещества, содержащие углерод.
Редактировать

Получение

С древности уголь получали при неполном сгорании древесины. В 19 веке древесный уголь в металлургии заменили каменным углем (коксом). В настоящее время для промышленного получения чистого углерода используют крекинг природного газа метана СН4:
СН4 = С + 2Н2
Уголь для медицинских целей готовят сжиганием кожуры кокосовых орехов. Для лабораторных нужд чистый уголь, не содержащий несгораемых примесей, получают неполным сжиганием сахара.
Редактировать

Физические и химические свойства

Углерод — неметалл. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой, образуя объемные структуры, слои, цепи, циклы. Известны четыре аллотропические модификации углерода: алмаз, графит, карбин и фуллерит. Древесный уголь состоит из мельчайших кристалликов с неупорядоченной структурой графита. Его плотность 1,8-2,1 г/см3 . Сажа представляет собой сильно измельченный графит.
Алмаз — минерал с кубической гранецентрированной решеткой. Атомы С в алмазе находятся в sp3-гибридизованном состоянии. Каждый атом образует 4 ковалентные s-связи с четырьмя соседними атомами С, расположенными по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом С. Расстояния между атомами в тетраэдре 0,154 нм. Электронная проводимость отсутствует, ширина запрещенной зоны 5,7 эВ. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. Его плотность 3,51 г/см3.. Твердость по минералогической шкале Мооса принята за 10. Алмаз можно поцарапать только другим алмазом; но он хрупок и при ударе раскалывается на куски неправильной формы. Термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях. Однако, при 1800 °C превращение алмаза в графит происходит быстро. Обратное превращение графита в алмаз происходит при 2700°C и давлении 11-12 ГПа.
Графит — слоистое темно-серое вещество с гексагональной кристаллической решеткой. Термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений. Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях; положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм. Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp2-гибридными орбиталями. Связи между слоями осуществляются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому графит легко расслаивается. Такое состояние стабилизирует четвертая делокализованная π-связь. Графит обладает хорошей электрической проводимостью. Плотность графита 2,1-2,5 кг/дм3.
Во всех аллотропических модификациях при обычных условиях углерод химически малоактивен. В химические реакции вступает только при нагревании. При этом химическая активность углерода убывает в ряду сажа—древесный уголь—графит—алмаз. Сажа на воздухе воспламеняется при нагревании до 300°C, алмаз — при 850-1000°C. При горении образуется углекислый газ СО2 и CO. Нагревая СО2 с углем, также получают оксид углерода (II) CО:
СО2+ С = 2СО
С + Н2О (перегретый пар) = СО +Н2
Синтезирован оксид углерода С2О3. СО2 — кислотный оксид, ему отвечает слабая неустойчивая, существующая только в сильно разбавленных холодных водных растворах угольная кислота Н2СО3. Соли угольной кислоты — карбонаты2СО3, СаСО3) и гидрокарбонаты (NaHCO3, Са(НСО3)2).
С водородом графит и древесный уголь реагируют при температуре выше 1200°C, образуя смесь углеводородов. Реагируя со фтором при 900°C, образует смесь фторуглеродных соединений. Пропуская электрический разряд между угольными электродами в атмосфере азота, получают газ циан (CN)2; если в газовой смеси присутствует водород, образуется синильная кислота HCN. При очень высоких температурах графит реагирует с серой, кремнием, бором, образуя карбиды — CS2, SiC, В4С.
Карбиды получают взаимодействием графита с металлами при высоких температурах: карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, карбид магния Mg2C3, карбид алюминия Al4C3. Эти карбиды легко разлагаются водой на гидроксид металла и соответствующий углеводород:
Al4C3 + 12Н2О = 4Al(ОН)3 + 3СН4
С переходными металлами углерод образует металлоподобные химически стойкие карбиды, например, карбид железа (цементит) Fe3C, карбид хрома Cr2C3, карбид вольфрама WС. Карбиды — кристаллические вещества, природа химической связи может быть различной. При нагревании уголь восстанавливает многие металлы из их оксидов:
FeO + C = Fe + CO,
2CuO+ C = 2Cu+ CO2
При нагревании восстанавливает серу(VI) до серы(IV) из концентрированной серной кислотой:
2H2SO4+ C = CO2+ 2SO2+ 2H2O
При 3500°C и нормальном давлении углерод сублимирует.
Редактировать

Применение

Свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического и нефтехимического синтеза, для получения пластмасс.
Редактировать

Физиологическое действие

Углерод — важнейший биогенный элемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. Углекислый газ , растворенный в биологических жидкостях и природных водах, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе. При различных производственных процессах частицы угля, сажи, графита, алмаза попадают в атмосферу и находятся в ней в виде аэрозолей. ПДК для углеродной пыли в рабочих помещениях 4,0 мг/м3 , для каменного угля 10 мг/м3.
Редактировать

Дополнительная литература

  • Сюняев З. И. Нефтяной углерод. М., 1980.
  • Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990.
  • Углерод в лесном фонде и сельскохозяйственных угодьях России. - Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2005.
  • Морган Ричард. Видоизмененный углерод. - М.: АСТ: Люкс, 2005.
  • Углерод: минералогия, геохимия и космохимия. - Сыктывкар: Геопринт, 2003.
  • Фиалков А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. - М.: Аспект-пресс, 1997.
  • Фенелонов В. Б. Пористый углерод. - Новосибирск: Ин-т катализа, 1995.
Статья находится в рубриках
Яндекс.Метрика