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] |
