вуглець
Вуглець (Латинське Carboneum), С, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, атомна маса 12,011. Відомі два стабільні ізотопи: 12 C (98,892%) і 13 C (1,108%). З радіоактивних ізотопів найбільш важливим є 14 C з періодом напіврозпаду (Т EQ f ( 1 );2) = 5,6 10 3 років). Невеликі кількості 14 C (близько 2×10 -10 % по масі) постійно утворюються у верхніх шарах атмосфери при дії нейтронів космічного випромінювання на ізотоп азоту 14 N. За питомою активністю ізотопу 14 C залишках біогенного походження визначають їх вік. 14 C широко використовується як ізотопного індикатора.
Історична довідка. У. відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило відновлення металів з руд, алмаз - як дорогоцінний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт виготовлення тиглів і олівців.
У 1778 До. Шеєле, Нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмазу було встановлено результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмазу на повітрі та досліджень С.С. Теннанта (1797), який доказав, що однакові кількості алмазу та вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. У. був визнаний хімічним елементом у 1789 Лавуазьє. Латинська назва carboneum У. отримав від carbo – вугілля.
Поширення у природі. Середній зміст У. у земній корі 2,3×10 -2 % по масі (1×10 -2 в ультраосновних, 1×10 -2 - в основних, 2×10 -2 - у середніх, 3×10 -2 - у кислих гірських породах). У. накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): у живій речовині 18% У., Деревині 50%, кам'яному куті 80%, нафти 85%, антрациті 96%. Значна частина У.літосфера зосереджена у вапняках та доломітах.
Число власних мінералів У. – 112; винятково велика кількість органічних сполук У. - вуглеводнів та його похідних.
З накопиченням У. у земній корі пов'язане накопичення і багатьох ін. елементів, що сорбуються органічною речовиною і облягають у вигляді нерозчинних карбонатів, і т.д. Велику геохімічну роль у земній корі відіграють CO2 та вугільна кислота. Величезна кількість CO2 виділяється при вулканізмі - історія Землі це було основне джерело У. для біосфери.
Порівняно із середнім вмістом у земній корі людство у винятково великих кількостях витягує У. з надр (вугілля, нафту, природний газ), оскільки ці копалини - основне джерело енергії.
Величезне геохімічне значення має кругообіг У. (див. нижче розділ Вуглець в організмі і ст. Кругообіг речовин).
У. широко поширений також у космосі; на Сонці він посідає 4-е місце після водню, гелію та кисню.
Фізико та хімічні властивості. Відомі чотири кристалічні модифікації У.: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. Побудований із кристалів гексагональної структури: а=2,462Å, c=6,701Å. При кімнатній температурі та нормальному тиску (0,1 Мн/м 2 , або 1 кгс/см 2 )графіт термодинамічно стабільний. Діамант - дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентровані грати: а = 3,560 Å. При кімнатній температурі та нормальному тиску алмаз метастабільний (докладно про структуру та властивості алмазу та графіту див. у відповідних статтях). Помітне перетворення алмазу на графіт спостерігається при температурах вище 1400 °C у вакуумі або в інертній атмосфері.При атмосферному тиску та температурі близько 3700 ° C графіт виганяється. Рідкий У. може бути отриманий при тиску вище 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2 ) та температурах вище 3700 °C. Для твердого У. (кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан з невпорядкованою структурою - так званий "аморфний" У., який не є самостійною модифікацією; в основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" У. вище 1500-1600 ° C без доступу повітря викликає їх перетворення на графіт. Фізичні властивості "аморфного" У. дуже сильно залежать від дисперсності частинок та наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність та електропровідність "аморфного" У. завжди вища, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він є дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г/см 3 ). Побудований з довгих ланцюжків атомів, покладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений у метеоритах та отриманий штучно; його структура та властивості остаточно не встановлені.
Зміна зовнішньої електронної оболонки атома У. 2s 2 2p 2 . Для У. характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої електронної оболонки до стану 2sp 3 . Тому У. здатний однаково як притягувати, і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2 - і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Число валентних електронів У. і число валентних орбіталей однаково; це одна із причин стійкості зв'язку між атомами У.
Унікальна здатність атомів У.з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезної кількості різноманітних сполук У., що вивчаються органічною хімією.
У сполуках У. виявляє ступеня окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77Å, ковалентні радіуси 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å відповідно в одинарному, подвійному та потрійному зв'язках; іонний радіус C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. За звичайних умов У. хімічно інертний, за високих температур він з'єднується з багатьма елементами, виявляючи сильні відновлювальні властивості. Хімічна активність зменшується у ряду: "аморфний" У., графіт, алмаз; взаємодія з киснем повітря (горіння) відбувається відповідно при температурах вище 300-500 °C, 600-700 °C та 850-1000 °C з утворенням двоокису вуглецю CO2 та окису вуглецю CO.
CO2 розчиняється у воді з утворенням вугільної кислоти. У 1906 р. О. Дільс отримав недоокис У. C3O2. Усі форми У. стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентрованих HNO3 та KClO3 та ін). "Аморфний" У. реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт та алмаз – при нагріванні. Безпосереднє з'єднання У. із хлором відбувається в електричній дузі; з бромом та йодом У. не реагує, тому численні вуглецю галогеніди синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідів загальної формули COX2 (де Х - галоген) найбільш відома хлорокис COCl2 (фосген). Водень з алмазом не взаємодіє; з графітом та "аморфним" У. реагує при високих температурах при каталізаторах (Ni, Pt): при 600-1000 °C утворюється в основному метан CH4, при 1500 - 2000 ° C - ацетилен C2H2, у продуктах можуть бути також ін. вуглеводні, наприклад, етан C2H6, бензол C6H6. Взаємодія сірки з "аморфним" У. та графітом починається при 700-800 °C, з алмазом при 900-1000 °C; у всіх випадках утворюється сірковуглець CS2. Др. сполуки У., що містять сірку (тіоокис CS, тіонедоокис C3S2, сіроокис COS та тіофосген CSCl2), отримують непрямим шляхом. При взаємодії CS2 з сульфідами металів утворюються тіокарбонати – солі слабкої тіокутної кислоти. Взаємодія У. з азотом з одержанням ціану (CN)2 відбувається при пропущенні електричного розряду між вугільними електродами в атмосфері азоту. Серед азотовмісних сполук У. важливе практичне значення мають ціаністий водень HCN (див. Синільна кислота) та його численні похідні: ціаніди, гало-генціани, нітрили та ін. При температурах вище 1000 °C У. взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми У. при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb та ін) або карбідів (CaC2, Mo2C, WO, TaC та ін.). У. реагує при температурах вище 600-800 ° C з водяною парою і вуглекислим газом (див. Газифікація палив). Відмінною рисою графіту є здатність при помірному нагріванні до 300-400 °C взаємодіяти з лужними металами та галогенідами з утворенням з'єднань включення типу C8Me, C24Me, C8X (де Х – галоген, Me – метал). Відомі з'єднання включення графіту з HNO3, H2SO4, FeCl3 та ін. (наприклад, бісульфат графіту C24SO4H2). Усі форми У. нерозчинні у звичайних неорганічних та органічних розчинниках, але розчиняються у деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).
Народногосподарське значення У. визначається тим, що понад 90% всіх первинних джерел споживаної у світі енергії припадає на органічне паливо, чільна роль якого збережеться і на найближчі десятиліття, незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики. Тільки близько 10% видобутого палива використовується як сировина для основного органічного синтезу і нафтохімічного синтезу, для отримання пластичних мас та ін.
Про отримання та застосування У. та його сполук див. також Алмаз, Графіт, Кокс, Сажа, Вуглецеві вогнетриви, Вуглецю двоокис, Вуглецю окис, Карбонати.
У. в організмі. У. - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя Землі, структурна одиниця великої кількості органічних сполук, що у побудові організмів і забезпечення їх життєдіяльності (біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини – вітаміни, гормони, медіатори та ін.). Значна частина необхідної організмам енергії утворюється у клітинах рахунок окислення У. Виникнення життя Землі у сучасної науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук (див. Походження життя).
Унікальна роль У. в живій природі обумовлена його властивостями, якими в сукупності не має жоден ін. Елемент періодичної системи. Між атомами У., а також між У. та ін елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними та потрійними). Здатність У. утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з ін. Атомами У. створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що всього три елементи – С, Про та Н – становлять 98% загальної маси живих організмів.Цим досягається певна економічність у живій природі: при практично безмежному структурному розмаїтті вуглецевих сполук невелика кількість типів хімічних зв'язків дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення та синтезу органічних речовин. Особливості будови атома У. лежать в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів та деяких алкалоїдів).
Відповідно до загальноприйнятої гіпотези А. І. ОпарінаПерші органічні сполуки Землі мали абиогенное походження. Джерелами У. служили метан (CH4) та ціаністий водень (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного У., за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є вуглецю двоокис (CO2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинена в природних водах у вигляді HCO - 3. Найбільш потужний механізм засвоєння (асиміляції) У. (у формі CO2) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами (щорічно асимілюється близько 100 млрд. т CO2). На Землі існує і еволюційно більш давній спосіб засвоєння CO2 шляхом хемосинтеза; у цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окиснення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають У. з їжею у вигляді готових органічних сполук. Залежно від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізняти автотрофні організми і гетеротрофні організми. Застосування для біосинтезу білка та ін. поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело У. вуглеводні нафти - одна з важливих сучасних науково-технічних проблем.
Зміст У. у живих організмах у розрахунку на суху речовину становить: 34,5-40% у водних рослин та тварин, 45,4-46,5% у наземних рослин та тварин та 54% у бактерій. У процесі життєдіяльності організмів, переважно за рахунок тканинного дихання, відбувається окислювальний розпад органічних сполук з виділенням у зовнішнє середовище CO2. У. виділяється також у складі складніших кінцевих продуктів обміну речовин. Після загибелі тварин і рослин частина У. знову перетворюється на CO2 внаслідок здійснюваних мікроорганізмами процесів гниття. Таким чином відбувається кругообіг У. в природі (див. Кругообіг речовин). Значна частина У. мінералізується і утворює поклади викопного У.: кам'яне вугілля, нафта, вапняки та ін. Крім основних функцій - джерела У.- CO2, Розчинена в природних водах і в біологічних рідинах, бере участь у підтримці оптимальної для життєвих процесів кислотності середовища. У складі CaCO3 У. утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних (наприклад, раковини молюсків), а також міститься в коралах, яєчній шкаралупі птахів та ін. Такі сполуки У., як HCN, CO, CCl4, що переважали в первинній атмосфері Землі в добіологічний період, надалі, у процесі біологічної еволюції, перетворилися на сильні антиметаболіти обмін речовин.
Крім стабільних ізотопів У., у природі поширений радіоактивний 14 C (в організмі людини його міститься близько 0,1 мккюрі). З використанням ізотопів У. у біологічних та медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і круговороту У. у природі (див. Ізотопні індикатори).Так, за допомогою радіовуглецевої мітки було доведено можливість фіксації H14CO - 3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакцій фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, простежені шляхи біосинтезу багатьох біологічно активних сполук і т.д. органічних залишках дозволяє судити про їх віці, що використовується в палеонтології та археології.
Читайте також:
Вуглець
Області знань: Загальні питання хімії Символ: С Атомний номер: 6 Група елементів: Неметали Відносна атомна маса: 12,0107 а.
Вуглець
Вуглерод (Лат. Сarboneum), C, хімічний елемент IV групи короткої форми (14-ї групи довгої форми) періодичної системи ; атомний маса 12,0107. ) і 13 C (1,11%) В атмосфері є радіоізотоп 14 C ( період напіврозпаду T1/2 5730 років, β-випромінювач), який утворюється у верхніх шарах атмосфери при опроміненні ядер 14 N нейтронами космічного випромінювання. 22.
Історична довідка
Вуглець у вигляді деревного вугілля застосовувався в глибокій старовині для виплавки металів Здавна відомі алмаз і графіт.
Поширеність у природі
Властивості
Застосування
Вуглець – одне з найважливіших джерел енергії. Графіт використовується як уповільнювач нейтронів в ядерних реакторах, відновник в металургії, для отримання електродів, легких термостійких вуглецевих матеріалів (вуглеграфітові матеріали, вуглепластики та ін), як тверде мастило. Виняткова твердість і високий коефіцієнт заломлення алмазу зумовлюють його застосування в різальних та абразивних матеріалах. Високо цінуються грановані та шліфовані кристали алмазу (діаманти). Висока теплопровідність алмазу (до 2000 Вт/м·К) робить його перспективним матеріалом для напівпровідникової техніки. Карбін застосовується у фотоелементах. Сажа служить наповнювачем у виробництві гуми, йде отримання фарб. Скловуглець використовується в атомній енергетиці, служить для створення термостійких покриттів космічних апаратів та літаків. У фармакології та медицині широко використовуються різні форми вуглецю та його сполук – похідні вугільної кислоти та карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та інші сполуки. Вуглецеві нанотрубки знайшли застосування для створення армованих термостійких міцних композиційних матеріалів, спеціальних паперів, виготовлення дисплеїв. Зломанів Володимир Павлович. Перша публікація: Велика російська енциклопедія, 2016.
Опубліковано 22 травня 2023 р. о 10:32 (GMT+3). Останнє оновлення 22 травня 2023 р. о 10:32 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією
Області знань: Загальні питання хімії Символ: C Атомний номер: 6 Група елементів: Неметали Відносна атомна маса: 12,0107 а. е. м. Радіус атома: 77 пм Електронегативність: 2,55 од. за шкалою Полінга Агрегатний стан: Тверде
- Науково-освітній портал «Велика російська енциклопедія»
Створено за фінансової підтримки Міністерства цифрового розвитку, зв'язку та масових комунікацій Російської Федерації.
Свідоцтво про реєстрацію ЗМІ ЕЛ № ФС77-84198 видано Федеральною службою з нагляду у сфері зв'язку, інформаційних технологій та масових комунікацій (Роскомнагляд) 15 листопада 2022 року.
ISSN: 2949-2076
- Засновник: Автономна некомерційна організація «Національний науково-освітній центр «Велика російська енциклопедія»
Головний редактор: Кравець С. Л.
Телефон редакції: +7 (495) 917 90 00
Ел. пошта редакції: [email protected]
- © АНО БРЕ, 2022 - 2024. Всі права захищені.
- Умови використання інформації. Вся інформація, розміщена на даному порталі, призначена лише для використання в особистих цілях та не підлягає подальшому відтворенню.
Медіаконтент (ілюстрації, фотографії, відео, аудіоматеріали, карти, скан образи) може бути використаний лише з дозволу правовласників.
- Умови використання інформації. Вся інформація, розміщена на даному порталі, призначена лише для використання в особистих цілях та не підлягає подальшому відтворенню.
Медіаконтент (ілюстрації, фотографії, відео, аудіоматеріали, карти, скан образи) може бути використаний лише з дозволу правовласників.
Вуглець
Вуглець, С (лат. carboneum) - це шостий елемент IVA групи Періодичної таблиці Д. І. Менделєєва. На його зовнішньому електронному рівні знаходяться 4 валентні електрони, що дозволяють вуглецю виявляти валентність рівну чотирьом для формування ковалентних зв'язків.
На основі здатності вуглецю утворювати полімерні ланцюжки виділено величезний клас сполук, які називають органічними. Органічні речовини є вивчення органічної хімії.
Історія
Ще давно вуглець у вигляді деревного вугілля застосовувався як відновник при виплавці металів. Ця здатність у XVII-XVIII ст. пояснювалася існуючою тоді теорією флогістона, що визнає існування певної речовини, що випаровується в процесі горіння. Згодом вчені стали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною, а в 1791 році. англійський хімік С. Теннант за допомогою пропускання парів фосфору над прожареною крейдою зміг отримати фосфат кальцію та вільний вуглець.
Фізичні та хімічні властивості
У природі вуглець зустрічається у вигляді стабільних ізотопів 12 C (98,93%) та 13 C (1,07%) та радіоактивного ізотопу 14 C, утворений при дії на ядра азоту космічних променів. Крім того, існує безліч алотропних модифікацій вуглецю з різноманітними фізичними властивостями. Найвідомішими кристалічними представниками є алмаз, графіт та фулерен, а аморфними – різні різновиди вугілля, кокс, сажа.
Сам собою вуглець при звичайних температурах хімічно інертний, проте з підвищенням температури може реагувати з багатьма елементами, виявляючи тим самим сильні відновлювальні властивості. У ряді вуглець-графіт-алмаз знижується хімічна активність форм вуглецю. Реакції зі складними речовинами характеризуються утворенням оксидів вуглецю II або IV і знаходять широке застосування в промисловості (наприклад, металургії) для одержання металів, синтезу газу, карбідів та ін.
Застосування
Область застосування форм вуглецю безпосередньо залежить від своїх властивостей.Так, через свою м'якість графіт широко застосовується при виробництві олівців, електродів через електропровідність, а висока температура плавлення дозволяє використовувати графіт як мастило в області занадто низьких або високих температур, робити тиглі для заливки металів. Алмаз через виняткову твердість (10 за шкалою Мооса) знайшов застосування у вигляді абразивного матеріалу, а також у ювелірній справі. Виняткова теплороводність дозволила використовувати алмаз як матеріал напівпровідникової техніки.
Широкий спектр сполук вуглецю застосовується в медицині та фармакології як детоксикуючий агент (активоване вугілля), мазь для лікування шкірних захворювань (з додаванням графіту) та предмет для наукового дослідження (радіовуглецевий аналіз), а також при виробництві сталі, чавуну.
Вуглець у складі викопного вугілля та вуглеводнів (нафта, природний газ) є одним з найважливіших джерел енергії для людства, а продукти переробки нафти використовуються повсюдно як паливо.
