Углерод

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4

---

Углерод (от лат. carbo — уголь; химический символ — C) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса 12,0107.

История

Углеро́д в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.

Происхождение названия

Международное название происходит от латинского carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда — и «уголь».

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими и химическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Основные физические свойства собственно углерода смотри в таблице.

Изотопы углерода

Подробнее в статье изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов — ¹²С (98,892 %) и ¹³С (1,108 %)и одного радиоактивного нуклида ¹⁴С (β-излучатель, Т_½= 5730 лет), состредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде ¹⁴С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода

Упрощенная фазовая диаграмма углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации могут быть метастабильны. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — жидкость, vapor — газ)

Схемы строения различных модификаций углерода:
a: алмаз;
b: графен;
c: графит;
d: фуллереныC₆₀ — букибол C₆₀;
e: фуллерены C₅₄₀;
F: карбин;
g: технический углерод;
h: углеродные нанотрубки.

• графит
• алмаз
• карбин
• лонсдейлит
• фуллерены
• углеродные нанотрубки
• графен
• аморфный углерод

  уголь

  техуглерод

  сажа

Электронное строение атома углерода

‎Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

• тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp³-гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
• тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
• дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Графит и алмаз

Элементарная ячейка (углерода) алмаза

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. ΔН₀ перехода — 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, р = 12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11—12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/ттс), плотность 3,51 г/см³, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких матералах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, напрмер смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или ССl₄ в низкотемпературной плазме.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С₆₀, С₇₀ и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок.

Аморфный углерод

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046 % СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО₂ в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО₂ поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде СО₂ — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C₂N₂, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С⁰ к С⁴⁺ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения — оксид углерода СО и диоксид СО₂. Известен также неустойчивый оксид С₃О₂ (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н₂ при 1200 °C, с F₂ — соответственно 900 °C, а при комнатной температуре CO₂ с водой образует угольную кислоту — H₂CO₃ (CO₂ (по массе %): 0,335 (0 °С); 0,169 (20 °С) частично взаимодействуя с водой образует угольную кислоту). Она реагирует со многими металлами с образованием карбонатов. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция и магния.

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N₂ образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н₂ и N₂ получают синильную кислоту. С серой углерод дает сероуглерод CS₂, известны также CS и C₃S₂. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С + Н₂О = СО + Н₂ (см. Газификация твердых топлив). При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Применение

Железоуглеродистые сплавы
Фазы железоуглеродистых сплавов
Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза) Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит) Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой) Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита) Сорбит (дисперсный перлит) Троостит (высокодисперсный перлит) Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Стали
Конструкционная сталь (до 0,8 % C) Инструментальная сталь (до ~2 % C) Нержавеющая сталь (легированная хромом) Жаростойкая сталь Жаропрочная сталь Высокопрочная сталь
Чугуны
Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит) Серый чугун (графит в форме пластин) Ковкий чугун (графит в хлопьях) Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов) Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО₂ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов(нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Углерод в сталелитейной промышленности один из важнеших компонентов сплавов железо-углерод (производсво чугуна и стали).

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, алмаз неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м•К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области. В то же время определенные успехи в области выращивания алмазных пленок уже сейчас позволят говорить вполне серьёзно о смене "кремниевой эры" в микроэлектронике на "Алмазную эпоху" и в тысячи и десятки тысяч раз увеличить быстродействие ЭВМ, а в сочетании с нанотехнологиями и применением оптических способов управления такими процессорами поднять быстродействие от современного уровня свыше миллиарда раз (9—10 порядков!).

Токсическое действие

Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Частицы углерода поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание поверхности Земли. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5 — 0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)•10⁹ Бк/сут ¹⁴СО₂.

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Токсическое действие ¹⁴С, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (¹⁴С (β) → ¹⁴N) и трансмутационным эффектом — изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация ¹⁴С в воздухе рабочей зоны ДК_А 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДК_Б 4,4 Бк/л, в воде 3,0•10⁴ Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2•10⁸ Бк/год.

См. также

• Графит
• Кремний
• Германий
• Графен

Ссылки

• Углерод на Webelements
• Углерод в Популярной библиотеке химических элементов

Литература

1. Химия гиперкоординированного углерода, пер с англ., М., 1990.
2. Kirk — Othmer encyclopedia, 3 ed., vol.4, N.-Y., 1978, p.556-709.
3. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов Т. В. Бухаркина, Н. Г. Дигуро

Периодическая система элементов

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

Iа

IIа

IIIб

IIIб: лантаноиды и актиноиды

IVб

Vб

VIб

VIIб

VIIIб

Iб

IIб

IIIа

IVа

Vа

VIа

VIIа

VIIIа

---

Химические семейства элементов периодической таблицы

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Лёгкие металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Инертные газы

---