Углерод

[править] Распространение

Круговорот углерода в природе

Углерод в природе встречается как в свободном состоянии, так и в виде различных соединений. Среднее содержание углерода в земной коре 2,3 × 10−2 %; основная масса углерода концентрируется в осадочных горных породах. Накопление углерода в основном происходит в верхней части земной коры, где его присутствие связано в основном с живым веществом, природными карбонатами (доломитами и известняками), топливными ископаемыми: антрацитом (94-97 % С), каменным углем (76-95 % С), бурым углем (64-80 % С), нефтью (82-87 % С), горючими сланцами (56-78 % С), торфом (53-56 % С), горючими природными газами (до 99 % метана), а также с битумами и др. Известно более 100 минералов углерода, среди которых самые распространенные карбонаты кальция, магния и железа. Он входит в состав каменного угля, нефти и природного газа, а также различных минералов: мрамора, мела и известняка, доломита, магнезита, малахита. 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 (~ 17,5 %). В древесине количество элемента составляет 50 %. В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Круговорот углерода в природе включает биологический цикл, выделение углекислого газа в атмосферу из вулканических газов, при сгорании ископаемого топлива, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод, а также при дыхании, брожении, гниении.

Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде углекислого газа поглощается из тропосферы растениями в процессе фотосинтеза, а затем из биосферы он снова возвращается в геосферу, частично из-за организмов животных и человека, и в виде углекислого газа — в атмосферу.

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

На Солнце углерод занимает четвёртое место по распространенности после водорода, гелия и кислорода.

Важную роль углерод играет в космосе — участвуя в процессах нуклеосинтеза (углеродно-азотный цикл, тройная α-реакция).

В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твердый углерод (≈ 25 %), так и значительные количества оксида кремния (≈ 35 %).

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.

Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других — окислительные.

Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):

• при нагревании на воздухе горит (при избытке кислорода с образованием углекислого газа; при его недостатке — оксида углерода(II)):
  C + O₂ = CO₂; 2C + O₂ = 2CO.
• реагирует при высоких температурах с парами серы, легко взаимодействует с хлором, фтором:
  C + 2S = CS₂
  C + 2Cl₂ = CCl₄
  2F₂ + C = CF₄
• при нагревании восстанавливает из оксидов многие металлы и неметаллы:
  C + Cu+2O = Cu + C+2O;
  C+C+4O₂ = 2C+2O
• при температуре 1000°C реагирует с водой (процесс газификации), с образованием водяного газа:C + H₂O = CO + H₂;

Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

• реагирует с металлами с образованием карбидов:
  Ca + 2C = CaC₂
• взаимодействуя с водородом, углерод образует метан:C + 2H₂ = CH₄

Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре): CH₄ = C + 2H₂.

Применение углерода

Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:

• графит применяется для изготовления грифелей карандашей, электродов, плавильных тиглей, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, как смазочный материал;
• алмазы применяются в ювелирном деле, в качестве режущего инструмента, в буровом оборудовании, как абразивный материал;
• в качестве восстановителя углерод используют для получения некоторых металлов и неметаллов (железа, кремния);
• углерод составляет основную массу активированного угля, который нашел широчайшее применение, как в быту (например, в качестве адсорбента для очистки воздуха и растворов), так и в медицине (таблетки активированного угля) и в промышленности (в качестве носителя для каталитических добавок, катализатора полимеризации и проч.).

Химическая активность

Молекулярный углерод проявляет низкую химическую активность вследствие своей устойчивой конфигурации. Заставить его вступать в реакции можно лишь сообщив атому дополнительную энергию и заставив электроны внешнего уровня распариться. В этот момент валентность становится равна 4. Поэтому в соединениях он имеет степень окисления + 2, + 4, — 4.

Практически все реакции с простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, протекают под влиянием высоких температур. Рассматриваемый элемент может быть как окислителем, так и восстановителем. Однако последние свойства выражены у него особенно сильно, именно на этом основано применение его в металлургической и других отраслях промышленности.

В целом способность вступать в химическое взаимодействие зависит от трех факторов:

• дисперсности углерода;
• аллотропной модификации;
• температуры реакции.

Таким образом, в ряде случаев происходит взаимодействие со следующими веществами:

• неметаллами (водородом, кислородом);
• металлами (алюминием, железом, кальцием и прочими);
• оксидами металлов и их солями.

С кислотами и щелочами не реагирует, с галогенами очень редко. Важнейшее из свойств углерода — способность образовывать длинные цепи между собой. Они могут замыкаться в цикл, формировать разветвления. Так происходит образование органических соединений, которые на сегодняшний день исчисляются миллионами. Основа этих соединений два элемента — углерод, водород. Также в состав могут входить и другие атомы: кислород, азот, сера, галогены, фосфор, металлы и прочие.

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.

Структура

Интересно, что электронные орбитали атома углерода не одинаковы. Они имеют разную геометрию. Все зависит от степени гибридизации. Есть три наиболее часто встречающиеся геометрии:

• Тетраэдрическая. Она образуется, когда происходит смешение трех р- и одного s-электронов. Такая геометрия атома углерода наблюдается у лонсдейлита и алмаза. Аналогичную структуру имеет метан и прочие углеводороды.
• Тригональная. Данную геометрию образует смешение двух р- и одной s-электронной орбитали. Еще один р-элемент не принимает участия в гибридизации, но он задействован при образовании π-связи с прочими атомами. Эта структура свойственна фенолу, графиту и прочим модификациям.
• Дигональная. Эта структура образуется вследствие смешения s- и р-электронов (по одному). Интересно, что выглядят электронные облака, как несимметричные гантели. Вытянуты они вдоль оного направления. Еще два р-электрона образуют пресловутые π-связи. Данная геометрия характерна для карбина.

Не так давно, в 2010 году, ученые из университета, который находится в Ноттингеме, открыли соединение, в котором сразу четыре атома оказались в одной плоскости. Его название – мономерный дилитио метандий.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах 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—501 °C, 600—700 °C и 800—1000 °C.

Степень окисления бывает от −4 до +4. Сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами. Соединения с неметаллами имеют свои собственные названия — метан, тетрафторметан.

Продуктами горения углерода являются CO и CO₂ (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С₃О₂ (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C₁₂O₉, C₅O₂, C₁₂O₁₂). Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C.

Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H₂CO₃, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н₂ и N₂ получают синильную кислоту:

NH3+CH4 →Pt HCN+3H2↑{\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+CH_{4}\ {\xrightarrow {Pt}}\ HCN+3H_{2}\uparrow }}}

Также такой же реакцией получают циан

2NH3+2CH4 →Pt (CN)2+7H2↑{\displaystyle {\mathsf {2NH_{3}+2CH_{4}\ {\xrightarrow {Pt}}\ (CN)_{2}+7H_{2}\uparrow }}}

При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS₂, известны также CS и C₃S₂. Получен селенид углерода CSe₂. С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

4Al+3C →t Al4C3{\displaystyle {\mathsf {4Al+3C\ {\xrightarrow {t}}\ Al_{4}C_{3}}}}

Ca+2C →t CaC2{\displaystyle {\mathsf {Ca+2C\ {\xrightarrow {t}}\ CaC_{2}}}}

Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:

C+H2O → CO↑+H2↑{\displaystyle {\mathsf {C+H_{2}O\ {\xrightarrow {}}\ CO\uparrow +H_{2}\uparrow }}}

При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

Органические соединения

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает 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, углеводы и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.

[править] Образование

Образование атома углерода требует почти одновременного столкновения трех альфа-частиц, то есть ядер атома гелия. Такой процесс, известный как тройной альфа-процесс, может происходить только в недрах звезд-гигантов или сверхгигантов с большой плотностью и высокой температурой (около 100 тыс. К). Чтобы попасть на Землю, углерод сначала должен оставить материнскую звезду, где он образовался (например, в результате взрыва сверхновой) и попасть в межзвездное пространство. Звездные системы третьего поколения, к которым относится Солнечная система, образовались из межзвездной среды, которая была обогащена элементами тяжелее гелия.

Применение

Графит используют в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Его невероятно высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды.

Алмаз благодаря исключительной твердости — незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бурмашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты — используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств бриллиант 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 себестоимость добычи алмазов ($97,47 за один карат) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности, углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)

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 поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением 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.

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 1s22s22p_x12p_y12p_z. 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 2p_z-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.

История

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода — алмаз и графит.

На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 г. германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО₂) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путём осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Происхождение названия

В начале XIX века в русской химической литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карб(он) — от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь».

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 Å, отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 Å) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).

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.

Структура графита (рис. 1,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Å (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 Å) 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.

Примечания

1. Относительная электроотрицательность атома углерода зависит от состояния его гибридизации: C_sp3 = 2,5 (в большинстве таблиц) C_sp2 = 2,8 C_sp1 = 3,2 (алкины)С. Э. Зурабян, Ю. А. Колесник, А. А. Кост и др./под ред. Н. А. Тюкавкиной. Взаимное влияние атомов в молекуле // Органическая химия: Учебник (Учеб. лит. Для учащихся фарм. училищ). — М.: Медицина, 1989. — С. 36. — 432 с. — ISBN 5-225-00314-1.
2. Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
3. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах // Успехи химии. — 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
4. Seal M. The effect of surface orientation on the graphitization of diamond. // Phis. Stat. Sol., 1963, v. 3, p. 658.
5. Evans T. Changes produced by High Temperature Treatment of Diamond. // The Properties of Diamond. Academi Press, 1979, p. 403–424.
6. Андреев В. Д.. Спонтанная графитизация и термодеструкция алмаза при Т > 2000 K // Физика твердого тела, 1999, т. 41, вып. 4, с. 695—201.
7. Togaya M. Melting behaviors of carbon underhigh pressure // High Pressure Research, 1990, v. 4, p. 342. (12 AIRAPT Conf. Proc., 1989, Padeborn).
8. Андреев В. Д.. Экспериментальные данные по плавлению алмаза и графита с учетом аномальности высокотемпературной теплоёмкости // Химическая физика, 2002, т. 21, № 9, с. 3—11.
9. V. I. Kasatochkin, A. M. Sladkov, et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 177, No. 2, 358 (1967).

[править] Физические свойства

Углерод существует во многих аллотропных модификациях с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Различные аллотропные формы углерода имеют разные физические свойства. Алмаз является широкозонным полупроводником, практически изолятором. Соответственно, он имеет низкую теплопроводность. Благодаря широкой запрещенной зоне, алмаз не поглощает видимый свет, незначительное поглощение обусловлено наличием примесей. В отличие от алмаза, графит является неплохим проводником электрического тока и тепла. Для него также характерен металлический блеск. 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 происходит за секунды. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройная точка: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, г. = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11-12 ГПа.

При давлении свыше 60 Г Па предполагают образование весьма плотной модификации C III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (около 1200 K) с высокоориентированных графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюртцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/mmc), плотность 3,51 г / см, то есть такая же, как и у алмаза.

Структура

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 смешивании одного s- и трех p-электронов. Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или другими в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
• Тригональная, образуется при смешивании одного s- и двух p-электронов. Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120 ° друг к другу. Не участвуя в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связей с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
• Дигональная, образуется при смешивании одного s- и одного p-электронов. При этом два электронные 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.

В 2010 году сотрудники университета Ноттингема Стивен Лидл и коллеги получили соединение, в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости. Ранее возможность «плоского углерода» была предусмотрена Паулем фон Шлейером для вещества H₂CLi₂, но она не была синтезирована.

[править] Биологическая роль

Соединения углерода являются основой всех растительных и животных организмов. Углерод осуществляет в природе постоянный круговорот, называемый углеродным циклом. В составе углекислого газа углерод присутствует в атмосфере Земли, а также в растворенном виде в воде. Живые организмы усваивают его из атмосферы или воды благодаря процессу, который называется фиксацией углерода. Другие организмы, неспособные усваивать углерод непосредственно, получают его через пищевые цепочки. Углерод частично возвращается в атмосферу в виде углекислого газа как продукт дыхания или горения, однако часть углерода идет на образование метана и карбонатов, например карбоната кальция. Остатки погибших организмов преобразуются в конце концов в осадочные породы, каменный уголь, нефть, природный газ. Углерод возвращается в атмосферу в процессе длительного геологического круговорота как следствие дегазации пород, вулканической деятельности и т. п. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли частично обусловлено деятельностью человека — использованием ископаемого топлива для получения энергии.