Carbon

Carbon (от лат. carbo — уголь) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы IV группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 6. Обозначается символом C. Является одним из самых распространённых элементов во Вселенной и ключевым элементом для жизни на Земле, входя в состав всех органических соединений. Углерод обладает уникальной способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, что обусловлено его электронной конфигурацией и возможностью образовывать прочные ковалентные связи, в том числе с самим собой (катенация).

История открытия

Углерод в виде древесного угля и сажи был известен человечеству с глубокой древности. Алмаз и графит также были известны задолго до нашей эры, однако их химическая идентичность долгое время оставалась недоказанной. В 1789 году французский химик Антуан Лавуазье в своём «Трактате об элементарной химии» впервые признал углерод самостоятельным химическим элементом. Он же экспериментально доказал, что алмаз является кристаллической формой углерода, сжигая его в кислороде и получая углекислый газ. В 1779 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле установил, что графит также состоит из углерода. В 1797 году английский химик Смитсон Теннант подтвердил идентичность состава алмаза и графита, сжигая одинаковые навески обоих веществ и измеряя объём выделившегося углекислого газа.

Физические свойства

Углерод существует в природе в виде нескольких аллотропных модификаций, различающихся по строению кристаллической решётки и, как следствие, по физическим свойствам.

Аллотропные модификации

Алмаз: Прозрачное кристаллическое вещество с кубической решёткой, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими прочными ковалентными связями. Это самая твёрдая природная форма углерода (10 по шкале Мооса), обладающая высокой теплопроводностью и являющаяся диэлектриком.
Графит: Мягкое, непрозрачное, серо-чёрное вещество со слоистой структурой. Атомы углерода в слоях образуют прочные ковалентные связи, а между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это обусловливает низкую твёрдость графита, его способность оставлять след на бумаге и электропроводность.
Фуллерены: Молекулярные формы углерода, представляющие собой замкнутые многогранники (сфероиды, эллипсоиды), состоящие из атомов углерода, соединённых в пяти- и шестиугольники. Наиболее известен фуллерен C₆₀ (бакминстерфуллерен). Открыты в 1985 году.
Углеродные нанотрубки: Цилиндрические структуры, свёрнутые из графенового листа. Обладают уникальной прочностью, высокой электропроводностью и теплопроводностью.
Графен: Двумерный слой атомов углерода толщиной в один атом, образующий гексагональную решётку. Обладает рекордной прочностью и высокой подвижностью носителей заряда. Впервые получен в 2004 году.
Карбин: Линейная форма углерода, в которой атомы соединены чередующимися тройными и одинарными связями (полиин) или двойными связями (поликумулен). Существование карбина долгое время оспаривалось, но впоследствии было подтверждено.
Аморфный углерод: Форма углерода, не имеющая кристаллической структуры. Включает в себя кокс, древесный уголь, сажу и активированный уголь.

Химические свойства

Углерод химически инертен при комнатной температуре, но при нагревании проявляет восстановительные свойства. Он способен реагировать с кислородом (с образованием CO или CO₂), водородом (при высоких температурах и в присутствии катализаторов), галогенами, серой, азотом, а также с металлами (образуя карбиды). Важнейшей химической особенностью углерода является его способность к образованию цепей и циклов, что лежит в основе органической химии. Соединения углерода с водородом (углеводороды) являются основой нефти, природного газа и каменного угля.

Распространение в природе

Углерод является 15-м по распространённости элементом в земной коре (по массе) и 4-м по распространённости во Вселенной (после водорода, гелия и кислорода). Основные природные источники углерода:

Атмосфера: В виде углекислого газа (CO₂), содержание которого составляет около 0,04% (420 ppm по состоянию на 2023 год).
Литосфера: В виде карбонатных пород (известняк, мел, мрамор), каменного угля, нефти, природного газа, торфа, а также в виде алмазов и графита.
Гидросфера: Растворённый в воде углекислый газ, гидрокарбонаты и карбонаты.
Биосфера: Входит в состав всех живых организмов в виде белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других органических соединений.

Круговорот углерода

Углерод участвует в глобальном биогеохимическом цикле, который включает в себя процессы фотосинтеза (поглощение CO₂ растениями), дыхания (выделение CO₂), разложения органических веществ, горения ископаемого топлива, а также вулканическую деятельность. Этот цикл играет ключевую роль в регулировании климата Земли.

Применение

Углерод и его соединения имеют широчайший спектр применения в промышленности и быту.

Металлургия: Кокс используется как восстановитель при выплавке чугуна и стали.
Энергетика: Каменный уголь, нефть и природный газ являются основными источниками энергии.
Химическая промышленность: Углерод является сырьём для производства пластмасс, синтетических волокон, лекарственных препаратов, удобрений, растворителей и многих других продуктов.
Электроника: Графит используется в электродах, щётках электродвигателей, а также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Алмаз используется в качестве полупроводникового материала и в высокотемпературной электронике.
Ювелирное дело: Алмазы (огранённые — бриллианты) используются как драгоценные камни.
Медицина: Активированный уголь применяется как адсорбент при отравлениях. Алмазные инструменты используются в хирургии. Углеродные нанотрубки исследуются для доставки лекарств и создания биосенсоров.
Адсорбенты: Активированный уголь используется для очистки воды, воздуха и в противогазах.
Смазочные материалы: Графит применяется как твёрдая смазка.
Строительство: Карбонатные породы (известняк, мрамор) используются в строительстве и производстве цемента.

Биологическая роль

Углерод является основой жизни на Земле. Все органические соединения, из которых состоят живые организмы, содержат углерод. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), углеводов, липидов и других биомолекул. Углеродные цепи и циклы образуют скелет этих молекул, определяя их структуру и функции. Уникальная способность углерода образовывать разнообразные стабильные соединения делает его незаменимым элементом для биологических процессов.

Экологические аспекты

Сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа) приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа (CO₂), который является одним из основных парниковых газов. Рост концентрации CO₂ в атмосфере, наблюдаемый с начала промышленной революции, считается основной причиной глобального потепления и изменения климата. В связи с этим активно разрабатываются технологии улавливания и хранения углерода (CCS), а также возобновляемые источники энергии, не связанные с выбросами CO₂. Сажа и другие твёрдые частицы углерода, образующиеся при неполном сгорании, являются загрязнителями воздуха и могут вызывать респираторные заболевания.

Интересные факты

Алмаз и графит — это одно и то же вещество, но с разной кристаллической решёткой. При нагревании до 1500 °C в инертной атмосфере алмаз превращается в графит.
Графен, открытый в 2004 году, является самым прочным материалом, известным науке (в 200 раз прочнее стали).
Углеродные нанотрубки могут быть в 100 раз прочнее стали, но в шесть раз легче.
В 1985 году был открыт фуллерен C₆₀, за что его первооткрыватели (Роберт Кёрл, Харольд Крото и Ричард Смолли) получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году.
Углерод является основой для алмазных нанонитей — ещё одной формы углерода, которая может быть прочнее и легче графена.

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А — Дарзана.
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969.
Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
Краткая химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1961. — Т. 1.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →