 |
 |
|
 |
|
|
УГЛЕРОД |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
(латинское Carboneum)
С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14C с периодом полураспада (Т = 5,6103 лет). Небольшие количества 14C (около 210-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N. По удельной активности изотопа 14C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14C широко используется в качестве изотопного индикатора (См. Изотопные индикаторы).
Историческая справка. У. известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять 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 изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. У. был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum У. получил от carbo — уголь.
Распространение в природе. Среднее содержание У. в земной коре 2,310-2% по массе (110-2 в ультраосновных, 110-2 — в основных, 210-2 — в средних, 310-2 — в кислых горных породах). У. накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% У., древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть У. литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов У. — 112; исключительно велико число органических соединений У. — углеводородов и их производных.
С накоплением У. в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют CO2 и угольная кислота. Огромное количество CO2 выделяется при вулканизме — в истории Земли это был основной источник У. для биосферы.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает У. из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые — основной источник энергии.
Огромное геохимическое значение имеет круговорот У. (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ).
У. широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физико и химические свойства. Известны четыре кристаллические модификации У.: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а=2,462A, c=6,701A. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2, или 1 кгс/см2) графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку: а = 3,560 A. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). 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 У. может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м2 (105 кгс/см2) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого У. (Кокс, Сажа, Древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой — так называемый «аморфный» У., который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» У. выше 1500—1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства «аморфного» У. очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность «аморфного» У. всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного 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 электронной оболочки атома У. 2s22p2. Для У. характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp3. Поэтому У. способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счёт sp3-, sp2- и sp-гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов У. и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами У.
Уникальная способность атомов У. соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений У., изучаемых органической химией (См. Органическая химия).
В соединениях У. проявляет степени окисления —4; +2; +4. Атомный радиус 0,77A, ковалентные радиусы 0,77A, 0,67A, 0,60A соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C4- 2,60A, C4+ 0,20A. При обычных условиях У. химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» У., графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300—500 °С, 600—700 °С и 850—1000 °С с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO.
CO2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты (См. Угольная кислота). В 1906 О. Дильс получил недоокись У. C3O2. Все формы У. устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO3 и KClO3 и др.). «Аморфный» У. реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании. Непосредственное соединение У. с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом У. не реагирует, поэтому многочисленные Углерода галогениды синтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х — галоген) наиболее известна хлорокись COCl2 (Фосген). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и «аморфным» У. реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600—1000 °С образуется в основном метан CH4, при 1500— 2000 °С — ацетилен C2H2, в продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, например этан C2H6, бензол C6H6. Взаимодействие серы с «аморфным» У. и графитом начинается при 700—800 °С, с алмазом при 900—1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS2. Др. соединения У., содержащие серу (тиоокись CS, тионедоокись C3S2, сероокись COS и тиофосген CSCl2), получают косвенным путём. При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты — соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие У. с азотом с получением циана (CN)2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений У. важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (см. Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000 °С У. взаимодействует со многими металлами, давая Карбиды. Все формы У. при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WO, TaC и др.). У. реагирует при температурах выше 600— 800 °С с водяным паром и углекислым газом (см. Газификация топлив). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300—400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения (См. Соединения включения) типа C8Me, C24Me, C8X (где Х — галоген, Me — металл). Известны соединения включения графита с HNO3, H2SO4, FeCl3 и др. (например, бисульфат графита C24SO4H2). Все формы У. нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение У. 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 (См. Основной органический синтез) и нефтехимического синтеза (См. Нефтехимический синтез), для получения пластических масс (См. Пластические массы) и др.
О получении и применении У. и его соединений см. также Алмаз, Графит, Кокс, Сажа, Углеродистые огнеупоры, Углерода двуокись, Углерода окись, Карбонаты.
Б. А. Поповкин.
У. в организме. У. — 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.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт окисления У. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение жизни).
Уникальная роль У. в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между атомами У., а также между У. и др. элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность У. образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. атомами У. создаёт возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — С, О и Н — составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определённая экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома У. лежат в основе различных видов изомерии (См. Изомерия) органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками У. служили метан (CH4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического У., за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является Углерода двуокись (CO2), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO-3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) У. (в форме CO2) — Фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CO2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения CO2 путём Хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют У. 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 др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника У. Углеводороды нефти,— одна из важных современных научно-технических проблем.
Содержание У. в живых организмах в расчёте 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, в основном за счёт тканевого дыхания (См. Тканевое дыхание), происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. У. выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть У. вновь превращается в CO2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот У. в природе (см. Круговорот веществ). Значительная часть У. минерализуется и образует залежи ископаемого У.: каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основные функции — источника У.— CO2, растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе CaCO3 У. образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения У., как HCN, CO, CCl4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные Антиметаболиты обмена веществ.
Помимо стабильных изотопов У., в природе распространён радиоактивный 14C (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов У. в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота У. в природе (см. Изотопные индикаторы). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации H14CO-3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.
Н. Н. Чернов.
Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. — Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| С (carboneum), неметаллический химический элемент IVA
подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается
в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и
других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы
животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая
сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре
всего 0,19% (см. также <<АЛМАЗ>>; <<ФУЛЛЕРЕНЫ>>).
Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных
алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют
промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего
инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются
для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где
требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода
с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C)
отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного
и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в
элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных
отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно
увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.
См. также <<СПЛАВЫ>>.
В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены
искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь).
Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при
сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый
углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном
давлении - это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с
заостренными кромками.
Историческая справка. Графит, алмаз и аморфный углерод известны с
древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой
материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова,
означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита
запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними
физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно
время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный
свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле
установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого
газа.
Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни
приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были
открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР,
Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия.
Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся
для промышленных целей.
Аллотропия. Если структурные единицы вещества (атомы для
одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений)
способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической
форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические
модификации - алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода
имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру
(рис. 1,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и
все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С,
т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз
отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой
твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв
связи С-С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 ) в
тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому
алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой
температурой плавления (3550° C).
Мооса (качественная оценка) (1) и по шкале истинной относительной
твердости (количественная оценка) (2). По кривой 2 видно, насколько алмаз
тверже наиболее твердых материалов.
Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно
отличающийся от алмаза по свойствам. Графит - мягкое черное вещество из
легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью
(электрическое сопротивление 0,0014 Ом*см). Поэтому графит применяется в
дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие
температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в
качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном
давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется
(переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.
битумных углей в отсутствие воздуха (газовоздушная обогревающая смесь не
попадает в камеру, где находится коксуемый уголь).
Структура графита (рис. 1,б) представляет собой систему конденсированных
гексагональных колец с длиной связи 1,42 (значительно короче, чем в
алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в
алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 )
слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно
уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода
определяет тепло- и электропроводность графита - эта более длинная и менее
прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в
меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3,
алмаза - 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко
отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и
грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном
наличием графита.
Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для
изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием
углерода.
При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например
железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для
промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на
поверхности катализатора. Равновесие графит алмаз существует при 15 000
атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать
и из углеводородов.
К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный
уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую
сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при
недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной
уголь - примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а
также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой
остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки
каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е.
нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в
черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные
продукты - коксовый газ (H2, CH4, CO и др.) и химические продукты,
являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных
препаратов, пластмасс и т.д. Схема основного аппарата для производства
кокса - коксовой печи - приведена на рис. 3.
Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому
используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как
катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные
методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием
антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260° С
(процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и
электродов, в частности для электролитического получения металлов.
Строение атома углерода. Ядро наиболее стабильного изотопа углерода
массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12
нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два
нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода - 13C
(ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный
изотоп 14C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий b-излучением. В
нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде
СO2. После смерти живого организма расход углерода прекращается и можно
датировать С-содержащие объекты, измеряя уровень радиоактивности 14С.
Снижение b-излучения 14CO2 пропорционально времени, прошедшему с момента
смерти. В 1960 У.Либби за исследования с радиоактивным углеродом был
удостоен Нобелевской премии.
См. также ДАТИРОВКА ПО РАДИОАКТИВНОСТИ.
В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную
конфигурацию 1s22s22px12py12pz0. Четыре электрона второго уровня являются
валентными, что соответствует положению углерода в IVA группе
периодической системы (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). Поскольку для
отрыва электрона от атома в газовой фазе требуется большая энергия (ок.
1070 кДж/моль), углерод не образует ионные связи с другими элементами, так
как для этого необходим был бы отрыв электрона с образованием
положительного иона. Имея электроотрицательность, равную 2,5, углерод не
проявляет и сильного сродства к электрону, соответственно не являясь
активным акцептором электронов. Поэтому он не склонен к образованию
частицы с отрицательным зарядом. Но с частично ионным характером связи
некоторые соединения углерода существуют, например, карбиды. В соединениях
углерод проявляет степень окисления 4. Чтобы четыре электрона смогли
участвовать в образовании связей, необходимо распаривание 2s-электронов и
перескок одного из этих электронов на 2pz-орбиталь; при этом образуются 4
тетраэдрические связи с углом между ними 109°. В соединениях валентные
электроны углерода лишь частично оттянуты от него, поэтому углерод
образует прочные ковалентные связи между соседними атомами типа С-С с
помощью общей электронной пары. Энергия разрыва такой связи равна 335
кДж/моль, тогда как для связи Si-Si она составляет всего 210 кДж/моль,
поэтому длинные цепочки -Si-Si- неустойчивы. Ковалентный характер связи
сохраняется даже в соединениях высокореакционноспособных галогенов с
углеродом, CF4 и CCl4. Углеродные атомы способны предоставлять на
образование связи более одного электрона от каждого атома углерода; так
образуются двойная С=С и тройная СєС связи. Другие элементы также образуют
связи между своими атомами, но только углерод способен образовывать
длинные цепи. Поэтому для углерода известны тысячи соединений, называемых
углеводородами, в которых углерод связан с водородом и другими углеродными
атомами, образуя длинные цепи или кольцевые структуры.
См. <<ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ>>.
В этих соединениях возможно замещение водорода на другие атомы, наиболее
часто на кислород, азот и галогены с образованием множества органических
соединений. Важное значение среди них занимают фторуглеводороды -
углеводороды, в которых водород замещен на фтор. Такие соединения
чрезвычайно инертны, и их используют как пластичные и смазочные материалы
(фторуглероды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на
атомы фтора) и как низкотемпературные хладагенты (хладоны, или фреоны, -
фторхлоруглеводороды).
В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения
углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники,
образующие молекулу С60 по форме полого шара, имеющего совершенную
симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе
"геодезического купола", изобретенного американским архитектором и
инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван
"бакминстерфуллеренами" или "фуллеренами" (а также более коротко -
"фазиболами" или "бакиболами"). Фуллерены - третья модификация чистого
углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более)
атомов, - была получена действием лазерного излучения на мельчайшие
частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких
сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С60 ~ 1нм. В центре такой молекулы
достаточно пространства для помещения большого атома урана.
См. также <<ФУЛЛЕРЕНЫ>>.
Стандартная атомная масса. В 1961 Международные союзы теоретической
и прикладной химии (ИЮПАК) и по физике приняли за единицу атомной массы
массу изотопа углерода 12C, упразднив существовавшую до того кислородную
шкалу атомных масс. Атомная масса углерода в этой системе равна 12,011,
так как она является средней для трех природных изотопов углерода с учетом
их распространенности в природе.
См. <<АТОМНАЯ МАССА>>.
Химические свойства углерода и некоторых его соединений. Некоторые
физические и химические свойства углерода приведены в статье ЭЛЕМЕНТЫ
ХИМИЧЕСКИЕ. Реакционная способность углерода зависит от его модификации,
температуры и дисперсности. При низких температурах все формы углерода
достаточно инертны, но при нагревании окисляются кислородом воздуха,
образуя оксиды:
Мелкодисперсный углерод в избытке кислорода способен взрываться при
нагревании или от искры. Кроме прямого окисления существуют более
современные методы получения оксидов.
Субоксид углерода C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над
P4O10:
C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую
кислоту.
Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации
углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется
111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C +
H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется "водяной газ" и
является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании
нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных
выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:
Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более
устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2:
CO + O2 (r) CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО
применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в
качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500°
C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие
устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором,
образуя фосген - COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами,
в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO
образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными
соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина
крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил
железа - более прочное соединение. В результате блокируется функция
гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают
(и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО
- "угарный газ"). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он
находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО
приведены в таблице.
Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании
элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395
кДж/моль). CO2 (тривиальное название - "углекислый газ") образуется также
при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических
соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также
выделяется СО2:
Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2.
Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:
при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:
при сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:
Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением
тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких
условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же - СO2 и
H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в
частности при ферментации глюкозы:
Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов
осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:
CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента.
Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по
этой схеме возрастают в ряду CaCO3 < SrCO3 < BaCO3. Углекислый газ -
химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может
поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2.
Материалы, горящие при низких температурах - дерево, нефтепродукты, бумага
и др., - не горят в среде СО2. Поэтому, а также из-за большей, чем у
воздуха, плотности (СO2 в 1,5 раза тяжелее), углекислый газ используют в
огнетушителях. В твердом состоянии СО2 известен как "сухой лед". При
высоких концентрациях CO2 опасен для человека, так как блокирует доступ
кислорода
(см. также <<ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА>>).
Электронное строение оксидов углерода. Электронное строение любого оксида
углерода можно описать тремя равновероятными схемами с различным
расположением электронных пар - тремя резонансными формами:
Все оксиды углерода имеют линейное строение.
Угольная кислота. При взаимодействии СO2 с водой образуется
угольная кислота H2CO3. В насыщенном растворе CO2 (0,034 моль/л) только
часть молекул образует H2CO3, а бльшая часть CO2 находится в
гидратированном состоянии CO2*H2O.
Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов
с CO2, например, Na2O + CO2 -><- Na2CO3.
За исключением карбонатов щелочных металлов, остальные практически
нерастворимы в воде, а карбонат кальция частично растворим в угольной
кислоте или растворе CO2 в воде под давлением:
CaCO3 + H2O + CO2 -><- Ca(HCO3)2
Эти процессы происходят в подземных водах, протекающих через пласт
известняка. В условиях низкого давления и испарения из грунтовых вод,
содержащих Ca(HCO3)2, осаждается CaCO3. Так происходит рост сталактитов и
сталагмитов в пещерах. Окраска этих интересных геологических образований
объясняется присутствием в водах примесей ионов железа, меди, марганца и
хрома. Углекислый газ реагирует с гидроксидами металлов и их растворами с
образованием гидрокарбонатов, например:
NaOH + CO2 -> NaHCO3
которые при нагревании разлагаются с выделением СО2:
2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2
Карбонат натрия, или соду, производят в содовой промышленности в больших
количествах преимущественно методом Сольве:
Другим методом соду получают из CO2 и NaOH
Карбонат-ион CO32- имеет плоское строение с углом O-C-O, равным 120°, и
длиной СО-связи 1,31
(см. также <<ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО>>).
Галогениды углерода. Углерод непосредственно реагирует с галогенами
при нагревании, образуя тетрагалогениды, но скорость реакции и выход
продукта невелики. Поэтому галогениды углерода получают другими методами,
например, хлорированием дисульфида углерода получают CCl4:
CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S
Тетрахлорид CCl4 - негорючее вещество, используется в качестве
растворителя в процессах сухой чистки, но не рекомендуется применять его
как пламегаситель, так как при высокой температуре происходит образование
ядовитого фосгена (газообразное отравляющее вещество). Сам ССl4 также
ядовит и при вдыхании в заметных количествах может вызвать отравление
печени. СCl4 образуется и по фотохимической реакции между метаном СH4 и
Сl2; при этом возможно образование продуктов неполного хлорирования метана
- CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Аналогично протекают реакции и с другими
галогенами.
Реакции графита. Графит как модификация углерода, отличающаяся
большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в
необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли
(FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16
(называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные
окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют
вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 между слоями),
что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений,
на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные
группы (-СООН) - соединения типа оксидированного графита или меллитовой
(бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение
С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.
Карбиды. Углерод образует с металлами, бором и кремнием
разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы
(IA-IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2,
Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и
известняка по следующим реакциям:
Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием
углеводородов, например
CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2
Образующийся по реакции ацетилен C2H2 служит исходным сырьем в
производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как
он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу
органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен,
называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь
между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при
нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в
трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической.
Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются
высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью.
Например, NbC, TaC и HfC - наиболее тугоплавкие вещества (т.пл. = 4000-
4200° С), карбид диниобия Nb2C - сверхпроводник при 9,18 К, TiC и W2C по
твердости близки алмазу, а твердость B4C (структурного аналога алмаза)
составляет 9,5 по шкале Мооса (см. рис. 2). Инертные карбиды образуются,
если радиус переходного металла < 1,3 , а при большем радиусе образуются
реакционноспособные карбиды типа Mn3C, Ni3C3, Fe3C.
Азотпроизводные углерода. К этой группе относится мочевина NH2CONH2
- азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3
и CO2 при нагревании под давлением:
Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют
псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом,
пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN- -> (CN)2 + 2e.
Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные
соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является
ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме.
Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу -0,5x, где х -
координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно
удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких
комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже)
тетрацианоникелат(II)-ион 2-, гексацианоферрат(III)
3-, дицианоаргентат -:
Карбонилы. Монооксид углерода способен непосредственно реагировать
со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения,
называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, 3,
Mo(CO)6, 2. Связь в этих соединениях аналогична связи в
описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 - летучее вещество, используется
для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и
стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород
может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как
H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со
щелочью:
H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O
Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2,
Pt(CO)Cl2, где Х - любой галоген
(см. также <<МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ>>).
Углеводороды. Известно огромное количество соединений углерода с
водородом
(см. <<ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ>>).
ЛИТЕРАТУРА
Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М., 1980
Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990 |
| Современная Энциклопедия |
| УГЛЕРОД (Carboneum), C, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12,011; неметалл. Содержание в земной коре 2,3?10-2% по массе. Основные кристаллические формы углерода - алмаз и графит. Углерод - главный компонент каменных и бурых углей, антрацита, нефти, торфа, природного газа и других горючих ископаемых, входит в состав углекислого газа атмосферы, природных карбонатов - известняка и доломита и др., основа органических соединений. Играет особую роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Углерод известен с глубокой древности, признан элементом А. Лавуазье в 1787. |
| Медицинская энциклопедия |
I
Углерод (Carboneum, С)
химический элемент главной подгруппы IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева; составляет основу органических соединений, которые участвуют в построении клеток живых организмов и поддержании их жизнедеятельности. Из атомов У. состоит скелет молекул белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов, гормонов, витаминов, медиаторов и многих других биологически активных соединений. Возникновение жизни на Земле рассматривают как сложный процесс эволюции углеродистых соединений. Источниками У. на Земле являлись метан и цианистый водород (HCN) первичной атмосферы Земли. С возникновением жизни единственным источником У. для образования органического вещества биосферы является диоксид углерода (углекислый газ, CO2). В результате осуществляемого зелеными растениями (аутотрофами) процесса фотосинтеза — образования органических веществ из атмосферного СО2 с использованием лучистой энергии Солнца — ежегодно на Земле ассимилируется около 100 млрд. т СО2. Микроорганизмы, усваивающие СО2 путем так называемого хемосинтеза, используют для образования органических соединений энергию окисления неорганических веществ. Гетеротрофные клетки могут усваивать У. в виде относительно сложных восстановленных органических соединений; к гетеротрофам относятся высшие животные и большинство микроорганизмов. Органические соединения и кислород, образуемые аутотрофными организмами, служат для поддержания деятельности гетеротрофов. В процессе жизнедеятельности организмов в основном за счет дыхания тканевого (<<Дыхание тканевое>>), органические соединения подвергаются окислительному распаду, и СО2высвобождается в окружающую среду. Превращение части органических соединений в СО2, возвращающегося в атмосферу, осуществляется также при гниении (<<Гниение>>), брожении (<<Брожение>>), горении и других процессах. Оставшееся органическое вещество превращается в гумус, торф, сапропель, которые дают начало так называемыми каустобиолитикам — углям, нефти, газам. Таким образом осуществляется круговорот У. в природе. В активном круговороте У. участвует лишь небольшая его часть. Ежегодное образование У. в виде органической массы составляет 1,5?1011 т. Годовой баланс У. для атмосферы определяется главным образом количеством У., используемого на формирование массы растений и углекислого газа, поступающего в атмосферу при разложении органического вещества почвы; значительное количество СО2 выделяется также при вулканической деятельности. Увеличение содержания СО2 в атмосфере вызывает повышение температуры воздуха (так называемый парниковый эффект), которое в свою очередь приводит к увеличению массы растений и снижению концентрации СО2 в атмосфере; происходит также ускорение разложения органического вещества до СО2. Хозяйственная деятельность человека, способствующая выделению СО2 в процессе сжигания топлива и работы силовых установок, а также уничтожение лесов вызывают дисбаланс потоков У. из атмосферы к растениям и из почвы в атмосферу, что также приводит к изменениям концентрации СО2 в атмосфере и температуры воздуха.
II
Углерод (Carboneum; C)
химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер 6, атомный вес (масса) 12,011; является структурной основой органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. |
| Идеографический словарь |
^ химический элемент
алмаз.
графит.
карбо... карбон...
v ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, топливо |
| Орфографический словарь Лопатина |
| углер`од, углер`од, -а |
| Словарь Даля |
| и пр. см. уголь. |
| Словарь Ожегова |
УГЛЕР’ОД, -а, муж. Химический элемент, важнейшая составная часть всех органических веществ.
прил. углеродный, -ая, -ое. |
| Словарь Ушакова |
| УГЛЕР’ОД, углерода, ·муж. (·хим. ). Химический элемент, являющийся важнейшей составной частью всех органических веществ в природе. |
| Толковый словарь Ефремовой |
[углерод]
м.
Химический элемент, важнейшая составная часть всех органических веществ в природе. |
| Этимологический словарь Крылова |
| Название этого химического элемента связано с тем, что он в больших количествах присутствует в высококачественных углях, этот признак и положен в основу его именования – "рождающий уголь". По такому же принципу образованы названия и некоторых других химических элементов. |
| Научнотехнический Энциклопедический Словарь |
| УГЛЕРОД (символ С), широко распространенный неметаллический элемент четвертой группы периодической таблицы. Углерод образует огромное количество соединений, которые вместе с углеводородами и другими неметаллическими веществами составляют основу органической химии. Вплоть до недавнего времени считалось, что существует два кристаллических АЛЛОТРОПА углерода: ГРАФИТ и АЛМАЗ. В 1996 г. был найден третий аллотроп, БАКМИНСТЕРФУЛЕРОН, молекулы которого имеют форму геодезического купола. Существуют также различные аморфные (некристаллические) формы углерода, такие как уголь каменный и древесный, сажа обычная и ламповая. Аморфные виды углерода широко применяются в промышленности, например, как краситель для чернил, как наполнитель при изготовлении автомобильных шин. Недавно создана синтетическая форма углерода - УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО. Радиоактивным изотопом углерода 14С пользуются для РАДИОУГЛЕРОДНОГО ДАТИРОВАНИЯ археологических находок. Свойства: атомный номер 6, атомная масса 12,011, плотность 1,9-2,3 (графит), 3,5-3,53 (алмаз), температура плавления 3550 °С, возгонка при 3367 °С, температура кипения 4200 °С, наиболее распространенный изотоп 12С (98,89%). |
|
|
|
 |
Если вы желаете блеснуть знаниями в беседе или привести аргумент в споре, то можете использовать ссылку:
будет выглядеть так: УГЛЕРОД
будет выглядеть так: Что такое УГЛЕРОД
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
