Реферат: Углерод (С)

Углерод.

Углерод (Carboneum), С — химический элемент IV группы, побочной подгруппы, 2-го периодапериодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 6. Относительнаяатомная масса: 12,011. Электроотрицательность: 2,6. Температура плавления: 3370єС(сгорает). Температура кипения: 4200єС. Плотность (графит): 2,27 г/смі. Число собственных минералов углерода — 112;исключительно велико число органических соединений углерода — углеводородов иих производных. Углерод находится в природе как в свободном состоянии (в видеалмаза, графита), так и в виде соединений (содержится в горючих сланцах, буроми каменном углях, торфе и в виде соединений в нефти, природных горючих газах, вкарбонатах). Все живые организмы построены из соединений углерода. Углеродшироко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19%; такжеуглерод широко распространён в космосе; на Солнце он занимает 4-е место послеводорода, гелия и кислорода. По сравнению со средним содержанием в земной коречеловечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр(уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые — основной источникэнергии.

Историческая справка. В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой,обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяетсяуглекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А.Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают приокислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическимэлементом в 1789 Лавуазье. Латинское название «carboneum» углеродполучил от «carbo» — уголь. А в 1961 Международные союзытеоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и по физике приняли за единицу атомноймассы массу изотопа углерода 12C, упразднив существовавшую до того кислороднуюшкалу атомных масс. Атомная масса углерода в этой системе равна 12,011, так какона является средней для трех природных изотопов углерода с учетом ихраспространенности в природе.

Углерод известен с древности.Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и самоназвание «графит», происходящее от греческого слова, означающего «писать», предложеноА.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принималивещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, напримермолибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди другихназваний графита известны «черный свинец», «карбидное железо», «серебристыйсвинец». В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом собразованием углекислого газа.

Алмазы впервые нашлиприменение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческоезначение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В XX векеосновными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия,Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технологиякоторых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.

Физические и химическиесвойства.Известны четыре кристаллические модификации углерода:графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-чёрная,непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическимблеском, обладает электропроводимостью. Атомы расположены параллельными слоями,образуя гексагональную решетку. Внутри слоя атомы связаны сильнее, чем одинслой с другим, поэтому графит может расслаиваться. Сгорает при 700єС врисутствии кислорода. Встречается в природе; получается искусственно. Привысокой температуре, давлении и рисутствии катализатора (марганец Mn,хром Cr, платиновые металлы) графит превращается в алмаз. Алмаз — минерал, имеющий желтоватый, белый, серый, зеленоватый, реже голубой и черныйцвет. Не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. В кристалле атомыуглерода образуют непрерывный трехмерный каркас, состоящий из сочлененныхтетраэдров, что обеспечивает высокую прочность связей. Алмаз — это самоетвердое вещество из всех известных. Температура плавления выше 3500єС.Химически стоек. Сгорает при 870єС в присутствии кислорода. При 1800єС вотсутствие кислорода превращается в графит. Прозрачные кристаллы; послеобработки — бриллианты. Добывают из россыпей и коренных месторождений.Синтетический алмаз получают из графита при высоких давлении и температуре. Ончаще полупрозрачный или непрозрачный; имеет кристаллическую структуру исвойства природного алмаза.Жидкий углерод может быть получен придавлениях выше 10,5 Мн/мІ (105 кгс/смІ) итемпературах выше 3700єС. Кокс, сажа, древесный уголь (твердый углерод)имеют то же строение, что и графит.Для твёрдого углерода характерно такжесостояние с неупорядоченной структурой — так называемый «аморфный»углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; воснове его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагреваниенекоторых разновидностей «аморфного» углерода выше 1500-1600єС бездоступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства«аморфного» углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц иналичия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность иэлектропроводность «аморфного» углерода всегда выше, чем графита. Карбинполучен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошокчёрного цвета (плотность = 2 г/смі).Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлитнайден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойстваокончательно не установлены.

/>

/>

                                                                А                                                                                             Б

Структура алмаза(а) и графита (б).

Конфигурация внешней электронной оболочки атомауглерода2sІ2pІ.Для углерода характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленноевозбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2spі. 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; этоодна из причин устойчивости связи между атомами углерода.

/>

Строение атомауглерода.

Уникальная способность атомовуглерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей ициклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединенийуглерода (углеводородов), изучаемых органической химией.

В соединениях углеродпроявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Б, ковалентные радиусы 0,77Б,  0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной, двойной и тройной связях;ионной радиус

С4- 2,60Б, С4+ 0,20Б. Приобычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах онсоединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» углерод, графит,алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственнопри температурах выше 300-500єС, 600-700єС и 850-1000єС с образованием двуокисиуглерода CO2 и окиси углерода CO.

CO2 растворяется вводе с образованием угольной кислоты. В 1906 О. Дильс получил недоокисьуглерода C3O2. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленноокисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смеськонцентрированных HNO3 и KClO3 и др.). «Аморфный» углеод реагирует с фторомпри комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании. Непосредственноесоединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромоми иодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углеродасинтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х — галоген) наиболее известна хлорокись COCl2 (фосген).  Водород с алмазом невзаимодействует; с графитом и «аморфным» углеродом реагирует привысоких температурах в присутствии катализаторов (никель Ni, платина Pt): при600-1000єС образуется в основном метан CH4, при 1500-2000єС — ацетилен C2H2, в продуктахмогут присутствовать также другие углеводороды, например этан C2H6, бензол C6H6. Взаимодействиесеры с «аморфным» углеродом и графитом начинается при 700-800єС,с алмазом при 900-1000єС; во всех случаях образуется сероуглерод CS2. Другиесоединения углерода, содержащие серу (тиоокись CS, тионедоокись C3S2, сероокись COSи тиофосген CSCl2), получают косвенным путём. При взаимодействии CS2 с сульфидамиметаллов образуются тиокарбонаты — соли слабой тиоугольной кислоты.Взаимодействие углерода с азотом с получением циана (CN)2 происходит припропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфереазота. Среди азотсодержащих соединений углерода важное практическое значениеимеют цианистый водород HCN и его многочисленные производные: цианиды,гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000єС углеродвзаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углеродапри нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободныхметаллов (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. Отличительнойособенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400єСвзаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованиемсоединений включения типа C8Me, C24Me, C8X (где Х — галоген, Me — металл). Известны соединениявключения графита с HNO3, H2SO4, FeCl3 и другие (например, бисульфат графита C24SO4H2). Все формыуглерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях,но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, железо Fe, никельNi, кобальт Co).

Изотопы углерода. В природе известно семь изотопов углерода, из которыхсущественную роль играют три. Два из них — /> и /> - являются стабильными, а один — /> - радиоактивным (в организме человека его содержитсяоколо 0,1мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических имедицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обменавеществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной меткибыла 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 изучениимеханизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определениеудельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяетсудить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Углерод в организме. Углерод — важнейший биогенный элемент, составляющийоснову жизни на Земле, структурная единица огромного числа органическихсоединений, участвующих в построении организмов и обеспечении ихжизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярныебиологически активные вещества — витамины, гормоны, медиаторы и др.).Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счётокисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современнойнауке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Содержание углерода в живыхорганизмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений иживотных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий.

Роль углерода в живойприроде. Уникальная роль углеродав живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладаетни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а такжемежду углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи,которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологическихусловиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способностьуглерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами углеродасоздаёт возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — углерод С, кислород О и водород Н — составляют 98% общей массы живыхорганизмов. Этим достигается определённая экономичность в живой природе: припрактически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединенийнебольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количествоферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ.Особенности строения атома углерода лежат в основе различных видов изомерииорганических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей вбиохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно общепринятойгипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имелиабиогенное происхождение. Источниками углерода служили метан (CH4) и цианистыйводород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновениемжизни единственным источником неорганического углерода, за счёт которогообразуется всё органическое вещество биосферы, является двуокись углерода (CO2), находящаяся ватмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO-3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции)углерода (в форме CO2) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёнымирастениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CО2). На Землесуществует и эволюционно более древний способ усвоения CO2 путёмхемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистуюэнергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинствоживотных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений.В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различатьавтотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтезабелка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качествеединственного источника углерода углеводороды нефти,- одна из важныхсовременных научно-технических проблем.

Помимо основной функции — источника углерода — двуокись углерода CO2, растворённая в природных водах и в биологическихжидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессовкислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многихбеспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах,яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения углерода, как HCN, CO, CCl4, преобладавшиев первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессебиологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Круговорот углерода. Углерод — основной биогенный элемент; он играетважнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый газ изатмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями,ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органическиесоединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы,морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируютв год около 1,5·10№№ т углерода в виде органической массы, чтосоответствует

5,86·10Іє Дж (1,4·10Ієкал) энергии. Растения частично поедаютсяживотными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). Вконечном счёте органическое вещество в результате дыхания организмов,разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается вуглекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в своюочередь, дают начало многим др. каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючимгазам.

/>

Круговоротуглерода.

В процессах распадаорганических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например,гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).

В активном круговоротеуглерода участвует очень небольшая часть всей его массы. Огромное количествоугольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существуетподвижное равновесие.

            Таблица: Содержаниеуглерода на поверхности Земли и в земной коре (16 км мощности)

                                                            Вт                 В г на 1 смІ поверхности Земли

Животные                                          5·109              0,0015

Растения                                             5·10№№                    0,1

Атмосфера                                         6,4·10№№     0,125

Океан                                                 3,8·10№і        7,5

Массивные кристаллические

породы: базальты и др.                     1,7·1014         33,0

основные породы

Граниты, гранодиориты                  2,9·1015         567

Угли, нефти и другие

каустобиолиты                                  6,4·1015         663

Кристаллические сланцы                1·1016            2000

Карбонаты                                         1,3·1016         2500

Всего                                                  3,2·1016         5770

Многие водные организмыпоглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуютсяпласты известняков. Из атмосферы было извлечено и захоронено в десятки тысячраз больше углекислого газа, чем в ней находится в данный момент. Атмосферапополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органическоговещества, карбонатов и др., а также, всё в большей мере, в результатеиндустриальной деятельности человека. Особенно мощным источником являютсявулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды.Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается изосадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и ихассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода происходит неоднократноефракционирование его по изотопному составу (№ІC — №іC), особенно вмагматогенном процессе (образование CO2, алмазов, карбонатов), при биогенном образованииорганического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).

Применение углерода. Углерод широко используется в виде простых веществ.Драгоценный алмаз является предметом ювелирных украшений; непрозрачныйалмаз — ценный абразив, а так же материал для изготовления резцов и другогоинструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углеродаприменяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники,где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Графит применяют дляизготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, твердыхсмазочных материалов; в ракетной технике; как замедлитель нейтронов в ядерныхреакторах; компонент состава для изготовления стержней для арандашей; дляполучения алмаза; наполнитель пластмасс. Каменноугольный коксиспользуется в черной металлургии в качестве топлива и восстановителя вдоменных печах и вагранках. Нефтяной и электродный пековый кокс применяется дляизготовления угольных и графитированных электродов, реже — как топливо. Сажа(технический углерод) применяется как наполнитель в производстве резины,пластмасс; пигмент в лакокрасочной промышленности; для изготовления электродови т. п. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором икремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются дляизготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод применяется дляполучения металлов из их оксидов. Углерод входит в состав сталей и сплавов вэлементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливокуглеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличиваетповерхностную твердость и износостойкость.

/>

Применение алмазав ювелирных украшениях,

графита вкарандашах.

Список литературы: 1)«Большая школьная энциклопедия», т. 2, изд. «Олма-пресс»

2) Интернет: www.encycl.yandex.ru, www.krugosvet.ru, www.informika.ru.