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.