Углерод как химический элемент¶

Углерод (химический символ — C, от лат. carboneum) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы) второго периода периодической системы, с атомным номером 6. Относится к неметаллам, неметаллический характер выражен ярко. Простое вещество углерод существует в нескольких аллотропных модификациях, резко различающихся по свойствам: алмаз, графит, карбин, фуллерены, графен, нанотрубки. Углерод — основа всей органической химии и ключевой элемент живых организмов: его доля в сухой массе тела человека составляет около 18 %.

¶Общая характеристика

Атом углерода имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p². На внешнем уровне находится четыре электрона, что определяет способность образовывать четыре ковалентные связи. Углерод проявляет степени окисления от −4 (метан, карбиды) до +4 (диоксид углерода, карбонаты); типичные промежуточные значения — −2, 0, +2.

Ключевая особенность углерода — способность атомов соединяться друг с другом в длинные цепи и замкнутые циклы, образуя устойчивые связи C—C. Это свойство (катенация) лежит в основе многообразия органических соединений, число которых превышает несколько десятков миллионов.

¶Аллотропные модификации

Алмаз — кубическая кристаллическая решётка, каждый атом связан с четырьмя соседями ковалентными связями. Обладает наибольшей среди природных минералов твёрдостью (10 по шкале Мооса), высокой теплопроводностью, но является диэлектриком. Природный алмаз образуется на больших глубинах при высоких давлениях.

Графит — слоистая гексагональная структура; атомы в слое связаны прочно, а между слоями действуют слабые силы. Отсюда мягкость, металлический блеск и электропроводность. Применяется в электродах, смазках, карандашах, замедлителях нейтронов в ядерных реакторах.

Карбин — линейные цепочки атомов углерода; получен искусственно. Фуллерены (C₆₀ и др.) — замкнутые сферические молекулы. Графен — монослой графита с уникальными электронными свойствами. Углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры с высокой прочностью и проводимостью.

¶Нахождение в природе

Углерод занимает 15-е место по распространённости в земной коре (около 0,1 % по массе). В свободном виде встречаются алмаз и графит; основная масса связана в карбонатах (известняк, мрамор, доломит) и в органических отложениях — каменный уголь, нефть, природный газ. В атмосфере присутствует в виде диоксида углерода CO₂, в гидросфере — в составе растворённых карбонатов и гидрокарбонатов.

Круговорот углерода в природе включает фотосинтез, дыхание, разложение органики, горение и вулканическую деятельность. Значительная часть углерода законсервирована в ископаемых видах топлива.

¶История открытия

Углерод известен с древности в виде угля и алмаза. Название происходит от латинского carbo — «уголь». В 1772 году Антуан Лавуазье доказал, что алмаз при сгорании даёт углекислый газ, то есть является формой углерода. В 1789 году он включил углерод в список химических элементов. В 1797 году английский химик Смитсон Теннант подтвердил тождество алмаза и графита по продуктам сгорания. Позднее были открыты фуллерены (1985), графен (выделен в 2004 году).

¶Получение и применение

Технический углерод (сажу) получают неполным сгоранием углеводородов; кокс — пиролизом угля. Искусственные алмазы синтезируют при высоких давлениях и температурах, а также методом химического осаждения из газовой фазы.

Применение углерода и его соединений:

• металлургия — кокс как восстановитель в доменном процессе, графитовые электроды;
• энергетика — уголь, нефть, газ как топливо;
• химическая промышленность — сырьё для синтеза пластмасс, волокон, растворителей;
• электроника — графен, нанотрубки, углеродные электроды;
• ювелирное дело и техника — алмаз;
• медицина — активированный уголь как сорбент.

¶Роль в живой природе

Углерод — структурная основа белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. В биосфере ключевую роль играет фотосинтез, при котором растения связывают атмосферный CO₂ в органические вещества. Углеродный скелет молекул определяет всё многообразие органических соединений, изучаемых органической химией и биохимией.

¶Значение и перспективы

Углеродные материалы рассматриваются как перспективная основа нанотехнологий: графен и нанотрубки применяются в создании сверхпрочных композитов, сенсоров, транзисторов. Одновременно диоксид углерода — основной парниковый газ, что делает углеродный баланс предметом международных климатических соглашений.

Источники: Большая российская энциклопедия; Химическая энциклопедия; учебные курсы общей и органической химии; материалы по нанотехнологиям.