 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - : Углерод
: Углерод
УГЛЕРОД.
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/см
2) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое,
кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную
решетку: а=3,560Á. 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
0,77Á,ковалентные радиусы 0,77Á, 0,67Á, 0,60Á
соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус С4-
2,60Á, С4+ 0,20Á. 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.
| |
|
|
