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.
-----------------------