Углерод как элемент: Углерод: свойства, соединения, применение

Содержание

Страница не найдена — Портал Продуктов Группы РСС

Сообщите нам свой адрес электронной почты, чтобы подписаться на рассылку новостного бюллетеня. Предоставление адреса электронной почты является добровольным, но, если Вы этого не сделаете, мы не сможем отправить Вам информационный бюллетень. Администратором Ваших персональных данных является Акционерное Общество PCC Rokita, находящееся в Бжег-Дольном (ул. Сенкевича 4, 56-120 Бжег-Дольный, Польша ). Вы можете связаться с нашим инспектором по защите личных данных по электронной почте: .

Мы обрабатываем Ваши данные для того, чтобы отправить Вам информационный бюллетень — основанием для обработки является реализация нашей законодательно обоснованной заинтересованности или законодательно обоснованная заинтересованность третьей стороны – непосредственный маркетинг наших продуктов / продуктов группы PCC .

Как правило, Ваши данные мы будем обрабатывать до окончания нашего с Вами общения или же до момента, пока Вы не выразите свои возражения, либо если правовые нормы будут обязывать нас продолжать обработку этих данных, либо мы будем сохранять их дольше в случае потенциальных претензий, до истечения срока их хранения, регулируемого законом, в частности Гражданским кодексом.

В любое время Вы имеете право:

  • выразить возражение против обработки Ваших данных;
  • иметь доступ к Вашим данным и востребовать их копии;
  • запросить исправление, ограничение обработки или удаление Ваших данных;
  • передать Ваши персональные данные, например другому администратору, за исключением тех случаев, если их обработка регулируется законом и находится в интересах администратора;
  • подать жалобу Президенту Управления по защите личных данных.

Получателями Ваших данных могут быть компании, которые поддерживают нас в общении с Вами и помогают нам в ведении веб-сайта, внешние консалтинговые компании (такие как юридические, маркетинговые и бухгалтерские) или внешние специалисты в области IT, включая компанию Группы PCC .

Больше о том, как мы обрабатываем Ваши данные Вы можете узнать из нашего Полиса конфиденциальности.

Дайте характеристику химического элемента углерода по плану

[I] Символ химического элемента и его название:
Химический элемент №6 – углерод. Обозначается символом “C”.
[II] Положение химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева:
1)Порядковый номер элемента – 6.
2)Углерод находится во 2 периоде.
3)Углерод – представитель IV группы периодической системы Д. И. Менделеева.
4)Данный элемент входит в главную подгруппу.
[III] Строение атома химического элемента:
1)Заряд ядра атома углерода равен 6 (заряд ядра соответствует порядковому номеру элемента).
2)Относительная атомная масса углерода равна 12.
3)Число протонов также равно 6 (именно протоны формируют заряд ядра атома).
4)Электронов в углероде также 6 (атом в целом нейтрален и 6 протонам соответствует 6 электронов).
5)Чтобы определить количество нейтронов нужно от относительной атомной массы элемента отнять количество протонов атома этого элемента. 12-6=6. Значит количество нейтронов равно 6.
6)Атом углерода имеет два электронных слоя, так как находится во 2 периоде периодической системы Д. И. Менделеева.
[IV] Электронная и электронно-графическая формулы атома, его валентные электроны.
6С 1S2 2S2 2P2
Валентными являются электроны 2S2 и 2P2, то есть электроны внешнего электронного слоя.
[V] Определяем тип химического элемента (металл или неметалл, s-, p-, d-или f-элемент)
Углерод относится к неметаллам. Так как p-подуровень электронов заполняется последним, этот элемент относится к p-семейству.
[VI] Составляем формулы высшего оксида и гидроксида углерода и характеризуем их свойства (основные, кислотные или амфотерные)
Формула высшего оксида CO2. Это кислотный оксид, так как он образует кмслоту.
С(ОН)4 – гидроксид. Он соответствует кислоте h5CO4, которая распадается до угольной кислоты.
[VII] Сравним неметаллические свойства углерода со свойствами элементов-соседей по периоду и подгруппой.
Углерод имеет самые сильные неметаллические свойства в своей группе, он сильнее кремния. В периоде же углерод сильнее бора, но слабее азота.
[VIII] Определяем максимальный и минимальный степень окисления атома углерода .
Максимальная степень окисления углерода -4 (в метане). А максимальная — +4.

Углерод является. Углерод — характеристика элемента и химические свойства

В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал — все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе — углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.

Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга — не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц — есть в активе только одного элемента — углерода.

И вообще литература по углероду — богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы…

Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного — попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод — один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода — алмаз или графит — была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода — уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод — это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов.

После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах — в виде графита и алмаза.

Вам никогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств, который проходит во втором коротком периоде менделеевской таблицы по линии, отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот , кислород , фтор при обычных условиях газообразны. Углерод — в любой форме — твердое тело. Температура плавления азота — минус 210,5°С, а углерода (в виде графита под давлением свыше 100 атм) — около плюс 4000°С…

Дмитрий Иванович Менделеев первым предположил, что эта разница объясняется полимерным строением молекул углерода. Он писал: «Если бы углерод образовывал молекулу C 2 , как и O 2 , то был бы газом». И далее: «Способность атомов угля соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях. Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится С п, где n есть большая величина».

Углерод и его полимеры

Это предположение подтвердилось в наше время. И графит, и алмаз — полимеры, состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.

По меткому замечанию профессора Ю.В. Ходакова, «если исходить из природы преодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести к химическим профессиям». Действительно, гранильщику приходится преодолевать не сравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химической связи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристалл алмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан» — это по существу одна молекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенного трехмерного полимера.

Иное дело графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двух направлениях — по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вот почему так просто — даже от соприкосновения с бумагой — расслаивается графит. В то же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьма сложно — здесь противодействует химическая связь.

Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах графита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз — изолятор. Графит совершенно не пропускает света — алмаз прозрачен. Какими бы способами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только CO 2 . А окисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов, в частности графитовую (переменного состава) и меллитовую C 6 (COOH) 6 кислоты. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляет лишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтому возможно или полное окисление или полное неокисление — третьего не дано…

Итак, есть «пространственный» полимер элементного углерода, есть «плоскостной». В принципе давно уже допускалось существование и «одномерного» — линейного полимера углерода, но в природе он не был найден.

Не был найден до поры до времени. Через несколько лет после синтеза линейный полимер углерода был найден в метеоритном кратере, на территории ФРГ. А получили его первыми советские химики В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Линейный полимер углерода назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. Открылись у карбина и вовсе неожиданные свойства. Оказалось, например, что кровь при контакте с ним не образует сгустков — тромбов, поэтому волокно с покрытием из карбина стали применять при изготовлении неотторгаемых организмом искусственных кровеносных сосудов.

По словам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы. В нем могли быть чередующиеся одинарные и тройные связи (-C = C-C=C -С=), а могли быть только двойные (=C=C=C=C=)… А могло быть и то и другое одновременно.

Лишь через несколько лет Коршаку и Сладкову удалось доказать, что двойных связей в карбине нет. Однако, поскольку теория допускала существование углеродного линейного полимера только с двойными связями, была предпринята попытка получить эту разновидность — по существу, четвертую модификацию элементного углерода.

Углерод в минералах

Это вещество было получено в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новый линейный полимер углерода назвали поликумуленом. А сейчас известно не меньше восьми линейных полимеров углерода, отличающихся один от другого строением кристаллической решетки. В зарубежной литературе все их называют карбинами.

Этот элемент всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то — 4. В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами — наоборот. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе — его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.

Весьма немногочисленны соединения, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность, отличную от четырех. Общеизвестно лишь одно такое соединение — CO, угарный газ, в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что в действительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислорода соединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этого соединения пишут так: O+=C».

В 1900 г. М. Гомберг получил органическое соединение трифенилметил (C 6 H 5) 3 C. Казалось, что атом углерода здесь трехвалентен. Но позже выяснилось, что и на этот раз необычная валентность — сугубо формальная. Трифенилметил и его аналоги — это свободные радикалы, только в отличие от большинства радикалов достаточно стабильные.

Исторически сложилось так, что лишь очень немногие соединения углерода остались «под крышей» неорганической химии. Это окислы углерода, карбиды — его соединения с металлами, а также бором и кремнием, карбонаты — соли слабейшей угольной кислоты, сероуглерод CS 2 , цианистые соединения. Приходится утешаться тем, что, как это часто бывает (или бывало) на производстве, недоработку по номенклатуре компенсирует «вал». Действительно, наибольшая часть углерода земной коры содержится не в организмах растений и животных, не в угле, нефти и всей прочей органике, вместе взятой, а всего в двух неорганических соединениях — известняке CaCO 3 и доломите MgCa(CO 3) 2 . Углерод входит в состав еще нескольких десятков минералов, достаточно вспомнить о мраморе CaCO 3 (с добавками), малахите Cu 2 (OH) 2 CO 3 , минерале цинка смитсоните ZnCO 3 … Есть углерод и в магматических породах, и в кристаллических сланцах.

Очень редки минералы, в состав которых входят карбиды. Как правило, это вещества особенно глубинного происхождения; поэтому ученые предполагают, что в ядре земного шара есть углерод.

Для химической промышленности углерод и его неорганические соединения представляют значительный интерес — чаще как сырье, реже как конструкционные материалы.

Многие аппараты химических производств, например теплообменники, изготавливают из графита. И это естественно: графит обладает большой термостойкостью и химической стойкостью и при этом прекрасно проводит тепло. Кстати, благодаря этим же свойствам графит стал важным материалом реактивной техники. Из графита сделаны рули, работающие непосредственно в пламени сопловых аппаратов. В воздухе воспламенить графит практически невозможно (даже в чистом кислороде сделать это непросто), а чтобы испарить графит, нужна температура, намного более высокая, чем развивающаяся даже в ракетном двигателе. И, кроме того, при нормальном давлении графит, как и гранит, не плавится.

Без графита трудно представить современное электрохимическое производство. Графитовые электроды используются не только электрометаллургами, но и химиками. Достаточно вспомнить, что в электролизерах, применяемых для получения каустической соды и хлора, аноды — графитовые.

Использование углерода

Об использовании соединений углерода в химической промышленности написаны многие книги. Карбонат кальция, известняк, служит сырьем в производстве извести, цемента, карбида кальция. Другой минерал — доломит — «праотец» большой группы доломитовых огнеупоров. Карбонат и гидрокарбонат натрия — кальцинированная и питьевая сода. Одним из основных потребителей кальцинированной соды была и остается стекольная промышленность, на нужды которой идет примерно треть мирового производства Na 2 CO 3 .

И наконец, немного о карбидах. Обычно, когда говорят карбид, имеют в виду карбид кальция — источник ацетилена, а следовательно, многочисленных продуктов органического синтеза. Но карбид кальция, хотя и самое известное, но далеко не единственное очень важное и нужное вещество этой группы. Карбид бора B 4 C — важный материал атомной

техники , карбид кремния SiC или карборунд — важнейший абразивный материал. Карбидам многих металлов свойственны высокая химическая стойкость и исключительная твердость; карборунд, к примеру, лишь немного уступает алмазу. Его твердость по шкале Mooca равна 9,5-9,75 (алмаза — 10). Но карборунд дешевле алмаза. Его получают в электрических печах при температуре около 2000°С из смеси кокса и кварцевого песка.

По словам известного советского ученого академика И.Л. Кнунянца, органическую химию можно рассматривать как своеобразный мост, перекинутый наукой от неживой природы к высшей ее форме — жизни. А всего полтора столетия назад лучшие химики того времени сами считали и учили своих последователей, что органическая химия это наука о веществах, образующихся при участии и под руководством некоей странной «материи» — жизненной силы. Но скоро эту силу отправили на свалку естествознания. Синтезы нескольких органических веществ — мочевины, уксусной кислоты, жиров, сахароподобных веществ — сделали ее попросту ненужной.

Появилось классическое определение К. Шорлеммера, не потерявшее смысла и 100 лет спустя: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, то есть продуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группами атомов».

Итак, органика — это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединений этого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы и подгруппы — на самостоятельные науки. Из органики вышли, от органики отпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологически активных и лекарственных соединений…

Сейчас известны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и около ста тысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно, что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод — одиннадцатый по распространенности на Земле элемент — взял на себя труднейшую задачу быть основой всего живого?

Ответ на этот вопрос неоднозначен. Во-первых, «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Во-вторых, углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами. В-третьих, связь атомов углерода между собой, так же как и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: из атмосферы — в растения, из растений — в животные организмы, из живого — в мертвое,

из мертвого — в живое. ..

Четыре валентности атома углерода — как четыре руки. А если соединились два таких атома, то «рук» становится уже шесть. Или — четыре, если на образование пары затрачено по два электрона (двойная связь). Или — всего две, если связь, как в ацетилене, тройная. Но эти связи (их называют ненасыщенными) подобны бомбе в кармане или джину в бутылке. Они скрыты до поры до времени, но в нужный момент вырываются на волю, чтобы взять свое в бурной, азартной игре химических взаимодействий и превращений. Самые разнообразные конструкции образуются в результате этих «игрищ», если в них участвует углерод. В редакции «Детской энциклопедии» подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366 319 различных углеводородов, 366 319 веществ состава С 20 Н42. А если в «игре» не шесть десятков участников, а несколько тысяч; если среди них представители не двух «команд», а, скажем, восьми!

Где углерод, там многообразие. Где углерод, там сложности. И самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 или полиэтилене -CH 2 -CH 2 -CH 2 — CH 2 -, и разветвленные структуры простейшая из них — изобутан.

МОУ «Никифоровская средняя общеобразовательная школа №1»

Углерод и его основные неорганические соединения

Реферат

Выполнил: ученик 9В класса

Сидоров Александр

Учитель: Сахарова Л.Н.

Дмитриевка 2009

Введение

Глава I. Всё об углероде

1.1. Углерод в природе

1.2. Аллотропные модификации углерода

1.3. Химические свойства углерода

1.4. Применение углерода

Глава II. Неорганические соединения углерода

Заключение

Литература

Введение

Углерод (лат. Carboneum) С – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса 12,011(1). Рассмотрим строение атома углерода. На наружном энергетическом уровне атома углерода находятся четыре электрона. Изобразим графически:


Углерод был известен с глубокой древности, и имя первооткрывателя этого элемента неизвестно.

В конце XVII в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный и нагрели их с помощью зажигательного стекла солнечными лучами. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе. В 1772 г. французский химик А. Лавуазье показал, что при сгорании алмаза образуется СО 2 . Лишь в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы графита и угля. После сгорания равных количеств угля и алмаза объемы оксида углерода (IV) оказались одинаковыми.

Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обуславливает особое положение углерода среди других элементов.

Глава I . Всё об углероде

1.1. Углерод в природе

Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и в виде соединений.

Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина.

Алмазы очень редки. Самый большой из известных алмазов – «Куллинан» был найден в 1905 г. в Южной Африке, весил 621,2 г и имел размеры 10×6,5×5 см. В Алмазном фонде в Москве хранится один из самых боль­ших и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).

Свое название алмаз получил от греч. «адамас» – непобедимый, несокрушимый. Самые значительные месторождения алмазов находятся в Южной Африке, Бразилии, в Якутии.

Крупные залежи графита находятся в ФРГ, в Шри-Ланке, в Сибири, на Алтае.

Главными углеродсодержащими минералами являются: магнезит МgСО 3 , кальцит (известковый шпат, известняк, мрамор, мел) СаСО 3 , доломит СаМg(СО 3) 2 и др.

Все горючие ископаемые – нефть, газ, торф, каменные и бурые угли, сланцы – построены на углеродной основе. Близки по составу к углероду некоторые ископаемые угли, содержащие до 99% С.

На долю углерода приходится 0,1% земной коры.

В виде оксида углерода (IV) СО 2 углерод входит в состав атмосферы. В гидросфере растворено большое количество СО 2 .

1.2. Аллотропные модификации углерода

Элементарный углерод образует три аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин.

1. Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. В возбуждённом состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов. При образовании химических связей электронные облака приобретают одинаковую вытянутую форму и располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. При перекрывании вершин этих облаков с облаками других атомов углерода возникают ковалентные связи под углом 109°28″, и образуется атомная кристаллическая решетка, характерная для алмаза.

Каждый атом углерода в алмазе окружён четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20°С плотность алмаза составляет 3,515 г/см 3 . Этим объясняется его исключительная твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток.

В 1961 г. в Советском Союзе было начато промышленное производство синтетических алмазов из графита.

При промышленном синтезе алмазов используются давления в тысячи МПа и температуры от 1500 до 3000°С. Процесс ведут в присутствии катализаторов, которыми могут служить некоторые металлы, например Ni. Основная масса образующихся алмазов – небольшие кристаллы и алмазная пыль.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000°С превращается в графит. При 1750°С превращение алмаза в графит происходит быстро.

Структура алмаза

2. Графит – серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступающее даже бумаге.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sр 2 -гибридизации: каждый из них образует три ковалентные σ-связи с соседними атомами. Углы между направлениями связей равны 120°. В результате образуется сетка, составленная из правильных шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя составляет 0,142 нм. Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.

Негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя, и перекрываясь друг с другом, образуют делокализованные σ-связи. Соседние слои в кристалле графита находятся друг от друга на расстоянии 0,335 нм и слабо связаны между собой, в основном силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.

Структура графита

Физические свойства в графите сильно различаются по направлениям – перпендикулярному и параллельному слоям атомов углерода.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При указанной температуре он возгоняется, не плавясь.

Искусственный графит получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без доступа воздуха.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265 г/см 3 .

3. Карбин – мелкокристаллический порошок чёрного цвета. В его кристаллической структуре атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Это вещество впервые получено В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым в начале 60-х годов XX века.

Впоследствии было показано, что карбин может существовать в разных формах и содержит как полиацетиленовые, так и поликумуленовые цепочки, в которых углеродные атомы связаны двойными связями:

С=С=С=С=С=С=

Позднее карбин был найден в природе – в метеоритном веществе.

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно увеличивается. За счёт существования разных типов связи и разных способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке физические свойства карбина могут меняться в широких пределах. При нагревании без доступа воздуха выше 2000°С карбин устойчив, при температурах около 2300°С наблюдается его переход в графит.

Природный углерод состоит из двух изотопов

(98,892%) и (1,108%). Кроме того, в атмосфере обнаружены незначительные примеси радиоактивного изотопа , который получают искусственным путём.

Раньше считали, что древесный уголь, сажа и кокс близки по составу чистому углероду и отличающиеся по свойствам от алмаза и графита, представляют самостоятельную аллотропную модификацию углерода («аморфный углерод»). Однако было установлено, что эти вещества состоят из мельчайших кристаллических частиц, в которых атомы углерода связаны так же, как в графите.

4. Уголь – тонко измельчённый графит. Образуется при термическом разложении углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются по свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Они всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее важные сорта угля – кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха.

Сажа – очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) при ограниченном доступе воздуха.

Активные угли — пористые промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода. Адсорбцией называют поглощение поверхностью твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Активные угли получают из твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения, например костей. Угли, отличающиеся высокой механической прочностью, производят из скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Структура углей представлена порами всех размеров, однако адсорбционная ёмкость и скорость адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объёма гранул. При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, в результате которой из него удаляется влага и частично смолы. При этом образуется крупнопористая структура угля. Для получения микропористой структуры активацию производят либо окислением газом или паром, либо обработкой химическими реагентами.

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

а также растворами кислот-неокислителей:

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами
неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.

УГЛЕРОД
С (carboneum) , неметаллический химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19% (см. также АЛМАЗ ; ФУЛЛЕРЕНЫ).

Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы — для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.
См. также СПЛАВЫ . В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь). Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном давлении — это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с заостренными кромками.
Историческая справка. Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название «графит», происходящее от греческого слова, означающего «писать», предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны «черный свинец», «карбидное железо», «серебристый свинец». В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.
Аллотропия. Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические модификации — алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 1,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С, т. е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С-С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).



Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит — мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом*см). Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.



Структура графита (рис. 1,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита — эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3, алмаза — 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита. Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода. При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов. К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь — примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты — коксовый газ (h3, Ch5, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д. Схема основного аппарата для производства кокса — коксовой печи — приведена на рис. 3. Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260° С (процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и электродов, в частности для электролитического получения металлов.
Строение атома углерода. Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода — 13C (ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный изотоп 14C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий b-излучением. В нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде СO2. После смерти живого организма расход углерода прекращается и можно датировать С-содержащие объекты, измеряя уровень радиоактивности 14С. Снижение b-излучения 14CO2 пропорционально времени, прошедшему с момента смерти. В 1960 У.Либби за исследования с радиоактивным углеродом был удостоен Нобелевской премии.
См. также ДАТИРОВКА ПО РАДИОАКТИВНОСТИ. В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную конфигурацию 1s22s22px12py12pz0. Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IVA группе периодической системы (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). Поскольку для отрыва электрона от атома в газовой фазе требуется большая энергия (ок. 1070 кДж/моль), углерод не образует ионные связи с другими элементами, так как для этого необходим был бы отрыв электрона с образованием положительного иона. Имея электроотрицательность, равную 2,5, углерод не проявляет и сильного сродства к электрону, соответственно не являясь активным акцептором электронов. Поэтому он не склонен к образованию частицы с отрицательным зарядом. Но с частично ионным характером связи некоторые соединения углерода существуют, например, карбиды. В соединениях углерод проявляет степень окисления 4. Чтобы четыре электрона смогли участвовать в образовании связей, необходимо распаривание 2s-электронов и перескок одного из этих электронов на 2pz-орбиталь; при этом образуются 4 тетраэдрические связи с углом между ними 109°. В соединениях валентные электроны углерода лишь частично оттянуты от него, поэтому углерод образует прочные ковалентные связи между соседними атомами типа С-С с помощью общей электронной пары. Энергия разрыва такой связи равна 335 кДж/моль, тогда как для связи Si-Si она составляет всего 210 кДж/моль, поэтому длинные цепочки -Si-Si- неустойчивы. Ковалентный характер связи сохраняется даже в соединениях высокореакционноспособных галогенов с углеродом, CF4 и CCl4. Углеродные атомы способны предоставлять на образование связи более одного электрона от каждого атома углерода; так образуются двойная С=С и тройная СєС связи. Другие элементы также образуют связи между своими атомами, но только углерод способен образовывать длинные цепи. Поэтому для углерода известны тысячи соединений, называемых углеводородами, в которых углерод связан с водородом и другими углеродными атомами, образуя длинные цепи или кольцевые структуры.
См. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ . В этих соединениях возможно замещение водорода на другие атомы, наиболее часто на кислород, азот и галогены с образованием множества органических соединений. Важное значение среди них занимают фторуглеводороды — углеводороды, в которых водород замещен на фтор. Такие соединения чрезвычайно инертны, и их используют как пластичные и смазочные материалы (фторуглероды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора) и как низкотемпературные хладагенты (хладоны, или фреоны, — фторхлоруглеводороды). В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники, образующие молекулу С60 по форме полого шара, имеющего совершенную симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе «геодезического купола», изобретенного американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван «бакминстерфуллеренами» или «фуллеренами» (а также более коротко — «фазиболами» или «бакиболами»). Фуллерены — третья модификация чистого углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более) атомов, — была получена действием лазерного излучения на мельчайшие частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С60 УГЛЕРОД 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана.
См. также ФУЛЛЕРЕНЫ .
Стандартная атомная масса. В 1961 Международные союзы теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и по физике приняли за единицу атомной массы массу изотопа углерода 12C, упразднив существовавшую до того кислородную шкалу атомных масс. Атомная масса углерода в этой системе равна 12,011, так как она является средней для трех природных изотопов углерода с учетом их распространенности в природе.
См. АТОМНАЯ МАССА . Химические свойства углерода и некоторых его соединений. Некоторые физические и химические свойства углерода приведены в статье ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ. Реакционная способность углерода зависит от его модификации, температуры и дисперсности. При низких температурах все формы углерода достаточно инертны, но при нагревании окисляются кислородом воздуха, образуя оксиды:


Мелкодисперсный углерод в избытке кислорода способен взрываться при нагревании или от искры. Кроме прямого окисления существуют более современные методы получения оксидов. Субоксид углерода C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P4O10:

C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.
Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + h3O = CO + h3; образующаяся газовая смесь называется «водяной газ» и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:

Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 (r) CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с h3 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген — COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа — более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО — «угарный газ»). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице. Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название — «углекислый газ») образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:

Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:

При газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:

При сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:


Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же — СO2 и h3O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:


CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 (см. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА). Электронное строение оксидов углерода. Электронное строение любого оксида углерода можно описать тремя равновероятными схемами с различным расположением электронных пар — тремя резонансными формами:


Все оксиды углерода имеют линейное строение.
Угольная кислота. При взаимодействии СO2 с водой образуется угольная кислота h3CO3. В насыщенном растворе CO2 (0,034 моль/л) только часть молекул образует h3CO3, а большая часть CO2 находится в гидратированном состоянии CO2*h3O.
Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов с CO2, например, Na2O + CO2 -> NaHCO3 которые при нагревании разлагаются с выделением СО2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + h3O + CO2 Карбонат натрия, или соду, производят в содовой промышленности в больших количествах преимущественно методом Сольве:


Другим методом соду получают из CO2 и NaOH


Карбонат-ион CO32- имеет плоское строение с углом O-C-O, равным 120°, и длиной СО-связи 1,31
(см. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО).
Галогениды углерода. Углерод непосредственно реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды, но скорость реакции и выход продукта невелики. Поэтому галогениды углерода получают другими методами, например, хлорированием дисульфида углерода получают CCl4: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S Тетрахлорид CCl4 — негорючее вещество, используется в качестве растворителя в процессах сухой чистки, но не рекомендуется применять его как пламегаситель, так как при высокой температуре происходит образование ядовитого фосгена (газообразное отравляющее вещество). Сам ССl4 также ядовит и при вдыхании в заметных количествах может вызвать отравление печени. СCl4 образуется и по фотохимической реакции между метаном Сh5 и Сl2; при этом возможно образование продуктов неполного хлорирования метана — CHCl3, Ch3Cl2 и Ch4Cl. Аналогично протекают реакции и с другими галогенами.
Реакции графита. Графит как модификация углерода, отличающаяся большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли (FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16 (называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 между слоями), что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений, на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные группы (-СООН) — соединения типа оксидированного графита или меллитовой (бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.
Карбиды. Углерод образует с металлами, бором и кремнием разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы (IA-IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям:


Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например CaC2 + 2h3O = C2h3 + Ca(OH)2 Образующийся по реакции ацетилен C2h3 служит исходным сырьем в производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен, называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической. Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью. Например, NbC, TaC и HfC — наиболее тугоплавкие вещества (т.пл. = 4000-4200° С), карбид диниобия Nb2C — сверхпроводник при 9,18 К, TiC и W2C по твердости близки алмазу, а твердость B4C (структурного аналога алмаза) составляет 9,5 по шкале Мооса (см. рис. 2). Инертные карбиды образуются, если радиус переходного металла Азотпроизводные углерода. К этой группе относится мочевина Nh3CONh3 — азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из Nh4 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN- -> (CN)2 + 2e. Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу []-0,5x, где х — координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион []2-, гексацианоферрат(III) []3-, дицианоаргентат []-:


Карбонилы. Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, []3, Mo(CO)6, []2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 — летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как h3Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью: h3Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + h3O Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х — любой галоген
(см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).
Углеводороды. Известно огромное количество соединений углерода с водородом
(см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ).
ЛИТЕРАТУРА
Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М., 1980 Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .

Синонимы :

Смотреть что такое «УГЛЕРОД» в других словарях:

    Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 14, 14C Альтернативные названия радиоуглерод, радиокарбон Нейтронов 8 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса … Википедия

    Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 12, 12C Нейтронов 6 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса 12,0000000(0) … Википедия

    Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Углерод 13, 13C Нейтронов 7 Протонов 6 Свойства нуклида Атомная масса 13,0033548378(10) … Википедия

    — (лат. Carboneum) С, химический. элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Основные кристаллические модификации алмаз и графит. При обычных условиях углерод химически инертен; при высоких… … Большой Энциклопедический словарь

1. Во всех органических соединениях атом углерода имеет валентность равную 4.

2. Углерод способен образовывать простые и очень сложные молекулы (высокомолекулярные соединения: белки, каучуки, пластмассы).

3. Атомы углерода соединяются не только с другими атомами, но и друг с другом, образуя различные углерод — углеродные цепи — прямые, разветвленные, замкнутые:

4. Для соединений углерода характерно явление изомерии, т.е. когда вещества имеют один и тот же качественный и количественный состав, но различное химическое строение, а следовательно, различные свойства. Например: эмпирической формуле С 2 Н 6 О соответствуют два различных строений веществ:

этиловый спирт, диметиловый эфир,

жидкость, t 0 кип. = +78 0 С газ, t 0 кип. = -23,7 0 С

Следовательно, этиловый спирт и диметиловый эфир – изомеры.

5. Водные растворы большинства органических веществ – неэлектролиты, молекулы их не распадаются на ионы.

Изомерия.

В 1823 г. было открыто явление изомерии – существование веществ с одинаковым составом молекул, но обладающих различными свойствами. В чем причина различия изомеров? Поскольку состав их одинаков, то причину можно искать только в разном порядке соединения атомов в молекуле.

Еще до создания теории химического строения А.М. Бутлеров предсказал, что для бутана С 4 Н 10 , имеющего линейное строение СН 3 – СН 2 – СН 2 – СН 3 t 0 (кип. -0,5 0 С) возможно существование другого вещества с той же молекулярной формулой, но с иной последовательностью соединения углеродных атомов в молекуле:

изобутан

t 0 кип. – 11,7 0 С

Итак, изомеры – это вещества, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное химическое строение, а следовательно и разные свойства. Существует два основных типа изомерии – структурная и пространственная.

Структурными называют изомеры, имеющие различный порядок соединения атомов в молекуле. Различают три вида ее:

Изомерия углеродного скелета:

С – С – С – С – С С – С – С – С

Изомерия кратной связи:

С = С – С – С С – С = С – С

— межклассовая изомерия:

пропионовая кислота

Пространственная изомерия. Пространственные изомеры имеют одинаковые заместители у каждого атома углерода. Но отличаются их взаимным расположением в пространстве. Различают два типа этой изомерии: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия характерна для соединений, имеющих плоскостное строение молекул (алкенов, циклоалканов, алкадиенов и др.). Если одинаковые заместители у атомов углерода, например, при двойной связи находятся по одну сторону плоскости молекулы, то это будет цис-изомер, по разные стороны – транс-изомер:

Оптическая изомерия – характерна для соединений, имеющих асимметрический атом углерода, который связан с четырьмя различными заместителями. Оптические изомеры являются зеркальным изображением друг друга. Например:

Электронное строение атома.

Строение атома изучается в неорганической химии и физике. Известно, что атом определяет свойства химического элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена вся его масса, и отрицательно заряженных электронов, окружающих ядро.

Так как в процессе химических реакций ядра реагирующих атомов не изменяются, то физические и химические свойства атомов зависят от строения электронных оболочек атомов. Электроны могут уходить от одних атомов к другим, могут объединяться и т.д. Поэтому мы подробно рассмотрим вопрос о распределении электронов в атоме на основе квантовой теории строения атомов. Согласно этой теории электрон одновременно обладает свойствами частицы (массой, зарядом) и волновой функцией. Для движущихся электронов невозможно определить точное местонахождение. Они находятся в пространстве вблизи атомного ядра. Можно определить вероятность нахождения электрона в различных частях пространства. Электрон как бы «размазан» в этом пространстве в виде некоторого облака (рисунок 1), плотность которого убывает.

Рисунок 1.

Область пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна (≈ 95%) называется орбиталью .

Согласно квантовой механике состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: главным (n), орбитальным (l) , магнитным (m) и спиновым (s).

Главное квантовое число n – характеризует энергию электрона, расстояние орбитали от ядра, т.е. энергетический уровень и принимает значения 1, 2, 3 и т.д. или K, L, M, N и т.д. Значение n = 1 соответствует наименьшей энергии. С увеличением n энергия электрона возрастает. Максимальное число электронов, находящихся на энергетическом уровне, определяется по формуле: N = 2n 2 , где n – номер уровня, следовательно, при:

n = 1 N = 2 n = 3 N = 18

n = 2 N = 8 n = 4 N = 32 и т. д.

В пределах энергетических уровней электроны располагаются по подуровням (или подоболочкам). Число их соответствует номеру энергетического уровня, но характеризуются они орбитальным квантовым числом l, которое определяет форму орбитали. Оно принимает значения от 0 до n-1. При

n = 1 l = 0 n = 2 l = 0, 1 n = 3 l = 0, 1, 2 n = 4 l = 0, 1, 2, 3

Максимальное число электронов на подуровне определяется по формуле: 2(2l + 1). Для подуровней принимают буквенные обозначения:

l = 1, 2, 3, 4

Следовательно, если n = 1, l = 0, подуровень s.

n = 2, l = 0, 1, подуровень s, p.

Максимальное количество электронов на подуровнях:

N s = 2 N d = 10

N p = 6 N f = 14 и т.д.

Больше этих количеств электронов на подуровнях быть не может. Форму электронного облака определяет значение l . При
l = 0 (s-орбиталь) электронное облако имеет сферическую форму и не имеет пространственную направленность.

Рисунок 2.

При l = 1 (p-орбиталь) электронное облако имеет форму гантели или форму «восьмерки»:

Рисунок 3.

Магнитное квантовое число m характеризует
расположение орбиталей в пространстве. Оно может принимать значения любых чисел от –l до +l, включая 0. Число возможных значений магнитного квантового числа при данном значении l равно (2l + 1). Например:

l = 0 (s-орбиталь) m = 0, т.е. s-орбиталь имеет только одно положение в пространстве.

l = 1 (p-орбиталь) m = -1, 0, +1 (3 значения).

l = 2 (d-орбиталь) m = -2, -1, 0, +1, +2 и т.д.

p и d-орбитали имеют соответственно 3 и 5 состояний.

Орбитали p вытянуты по координатным осям и их обозначают р x , p y , p z -орбитали.

Спиновое квантовое число s — характеризует вращение электрона вокруг собственной оси по часовой стрелке и против нее. Оно может иметь только два значения +1/2 и -1/2. Строение электронной оболочки атома изображается электронной формулой, которая показывает распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням. В этих формулах энергетические уровни обозначаются цифрами 1, 2, 3, 4…, подуровни – буквами s, p, d, f. Число электронов на подуровне записывается степенью. Например: максимальное число электронов на s 2 , p 6 , d 10 , f 14 .

Электронные формулы часто изображают графически, которые показывают распределение электронов не только по уровням и подуровням, но и по орбиталям, обозначаемым прямоугольником. Подуровни делятся на квантовые ячейки.

Свободная квантовая ячейка

Ячейка с неспаренным электроном

Ячейка со спаренными электронами

На s-подуровне одна квантовая ячейка.

На p-подуровне 3 квантовых ячейки.

На d-подуровне 5 квантовых ячеек.

На f-подуровне 7 квантовых ячеек.

Распределение электронов в атомах определяется принципом Паули и правилом Гунда . Согласно принципа Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел. В соответствии с принципом Паули в энергетической ячейке может быть один, максимально два электрона с противоположными спинами. Заполнение ячеек происходит по принципу Гунда, согласно которому электроны располагаются сначала по одному в каждой отдельной ячейке, затем, когда все ячейки данного подуровня окажутся занятыми, начинается спаривание электронов.

Последовательность заполнения атомных электронных орбиталей определена правилами В. Клечковскогов зависимости от суммы (n + l ):

вначале заполняются те подуровни, у которых эта сумма меньшая;

при одинаковых значениях суммы (n + l ) вначале идет заполнение подуровня с меньшим значением n .

Например:

а) рассмотрим заполнение подуровней 3d и 4s. Определим сумму (n + l ):

у 3d (n + l ) = 3 + 2 = 5, у 4s (n + l ) = 4 + 0 = 4, следовательно сначала заполняется 4s, а затем 3d подуровень.

б) у подуровней 3d, 4p, 5s сумма значений (n + l ) = 5. В соответствии с правилом Клечковского заполнение начинается с меньшим значением n, т.е. 3d → 4p → 5s. Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней атомов происходит в следующей последовательности:валентность n = 2 n = 1

У Be спаренная пара электронов на 2s 2 подуровне. Для подведения энергии извне эту пару электронов можно разъединить и сделать атом валентным. При этом происходит переход электрона с одного подуровня на другой подуровень. Этот процесс называется возбуждением электрона. Графическая формула Be в возбужденном состоянии будет иметь вид:

и валентность равна 2.

Влияние химических элементов на свойства стали.

Условные обозначения химических элементов:

хром ( Cr ) — Х
никель ( Ni ) — Н
молибден ( Mo ) — М
титан ( Ti ) — Т
медь ( Cu ) — Д
ванадий ( V ) — Ф
вольфрам ( W ) — В
азот ( N ) — А
алюминий ( Аl ) — Ю
бериллий ( Be ) — Л
бор ( B ) — Р
висмут ( Вi ) — Ви
галлий ( Ga ) — Гл
иридий ( Ir ) — И
кадмий ( Cd ) — Кд
кобальт ( Co ) — К
кремний ( Si ) — C
магний ( Mg ) — Ш
марганец ( Mn ) — Г
свинец ( Pb ) — АС
ниобий ( Nb) — Б
селен ( Se ) — Е
углерод ( C ) — У
фосфор ( P ) — П
цирконий ( Zr ) — Ц

 ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.

Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)

Марганец —  как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера —  является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).

Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

 ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.

Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.

Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.

Кремний (С)-  в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец (Г) —  при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

Кобальт (К) — повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Церий — повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Углеродные материалы и их физико-химические свойства (Carbon materials and their physicochemical properties)

В силу профессиональной специфики более тщательно рассмотрена

практическая значимость углеродных материалов как сорбентов, носите-

лей и катализаторов. Последнее наиболее значимо для экологов, занимаю-

щихся очисткой газов, промышленных сточных вод и, особенно, питьевой

воды (эта проблема беспокоит весь мир с начала XXI в.).

Не меньший интерес должен представить материал о новом классе

углеродных полимеров. Вся гигантская номенклатура современных полимер-

ных материалов, состоящая из многих частей, регулярно или нерегулярно

повторяющихся звеньев одного или нескольких типов всегда или почти всег-

да содержит углерод или соединения с ним. Она лежит в основе не только

большинства современных конструкционных материалов, но и технологи-

ческих сред: разные смолы, лаки, краски, порошковые эмульсии и аэрозоли на

основе углерода и прочее. Однако возможность существования полимеров

исключительно на углеродной основе открыта только в самом конце XX в.

А.Бейером, а производство этих современных продуктов стало возможным

после практических открытий группы сотрудников под руководством

А.М. Сладкова. Линейные или гексагоновые цепочки углеродных конфигура-

ций получают разными методами современной физической химии.

Минерал чаоит (назван в честь Эдварда Чинг-Те Чао, астрогеолога

из Геологической службы США) содержит белые прожилки, которые, как

показали последние исследования, – ни что иное, как углеродный полимер.

В связи с развитием в общественном сознании представлений о возмож-

ностях наноматериалов все чаще в статьях и учебниках стали исполь-

зоваться новые термины: фуллерены, консулены, обозначающие сложные

цепочки или сетки больших молекул углерода с чрезвычайно необычными

и полезными свойствами, о которых в доступной форме рассказывается

в лекции, из которой читатель поймет, что такое нанотрубки и почему

это материал ближайшего будущего.

Не только материаловеды самого широкого профиля, педагоги и студен-

ты, инженеры, конструкторы, технологи, создающие высокопрочные сплавы,

композиты для образцов новейшей техники, но и все, интересующиеся эко-

логической обстановкой в стране и мире, найдут для себя много полезного,

научившись разумно выбирать отечественные марки активных углей, покупая

фильтры и готовя очищенную питьевую воду в домашних условиях, расширят

свой кругозор в области применения материалов для техники будущего.

Предлагаемая лекция будет, безусловно, интересна специалистам

самого широкого профиля.

Издательство выражает глубокую признательность авторам и руководс-

тву Института катализа им. Г.К.Борескова Сибирского отделения РАН,

взявшимся за столь широкую тему современной химии и материаловедения.

Доктор технических наук, профессор

В.Д. Кальнер

Многоликий углерод

Например, алмаз имеет объёмную тетраэдрическую структуру, где каждый атом углерода окружён четырьмя такими же атомами, то есть, они образуют правильную четырёхгранную пирамиду. Красота и симметрия алмазной структуры объясняются тем, что атом углерода в алмазе проявляет валентность равную IV (четырём), то есть каждый атом углерода должен образовать химическую связь с другими четырьмя атомами.

Очень прочные химические связи между атомами углерода объясняют его необычайную твёрдость. Твёрже природа ещё не создавала. Чтобы понять, как устроена алмазная кристаллическая решётка, приведём наглядный пример.

Представьте себе инопланетных воинов, которые имеют круглое тело и четыре руки. К тому же, эти руки одинаковой длины и силы, и расположены они на теле равномерно и симметрично. А теперь представим, что эти воины сцепили свои руки, причём один воин крепко держит каждой рукой за руки других четырёх воинов. При таком построении каждый воин окажется в центре воображаемого куба, в окружении четырёх боевых товарищей. Расстояния между воинами настолько малы, что не дают никаких шансов пробиться вражеским лазутчикам. Это монолитная армия, в которой все солдаты одинаково сильны и выстроены в максимально плотный объёмный строй. В таком строе нет слабого звена и в нём невозможно пробить брешь.

Теперь представим, что каждый воин будет держаться за руки только с тремя воинами, а четвёртую руку оставляет свободной (держит её в резерве). При такой схеме воины могут выстраиваться только в «плоские» по структуре отряды, которые затем располагаются параллельными слоями друг над другом. Получается красивый парадный строй. Связь между воинами внутри одного отряда очень крепка и прочна, а между отрядами, к сожалению, слабая. Поэтому, какой бы многочисленной ни была эта армия, до мощи «алмазной» армии ей никогда не дотянуться. Она будет легко разобщена на отряды, а впоследствии и разбита.

При помощи этой аналогии можно объяснить строение графита. Графит имеет плоскостную многослойную атомную решётку, в которой атомы углерода, лежащие в одном слое (плоскости), прочно связаны с тремя другими атомами в правильные шестиугольники. Но из-за относительно большого расстояния между слоями, связи между ними слабые. Графитовые карандаши потому и рисуют, что один слой атомов легко отслаивается от другого, и вещество оставляет след на бумаге.

Если сравнивать алмаз и графит, то можно наблюдать такой парадокс: алмаз имеет самую высокую твёрдость, равную 10 баллам по шкале Мооса, а графит – самую маленькую, равную 1 баллу, алмаз не проводит ни электрический ток, ни тепло, а графит – отличный проводник тепла и электричества.

Таким образом, мы увидели, что в алмазе и графите атомы углерода занимают строго определённые места. Поэтому их называют кристаллическими модификациями углерода.

А вот если атомы углерода «распихать» бессистемно, беспорядочно и хаотично, то получится уголь или другие вещества, например, кокс, сажа, активированный уголь и др. Такие разновидности углерода называются аморфными модификациями. 

Углерод | Наука | theguardian.com

Наш следующий элемент — удивительный углерод (две формы, алмаз и графит, изображены справа, любезно предоставлено Робом Лавински/Википедия), который образует больше соединений, чем любой другой элемент. Помимо того, что он составляет большую часть нас с вами, он также включает в себя значительную часть всех известных живых существ на Земле, от вирусов, существующих на самых границах того, что есть жизнь, до огромного множества «микробов» (архей, бактерий и т. простейшие, большинство из которых мы еще не описали), к грибам, растениям, животным и даже к самым развитым и эфирным из всех живых существ — птицам.Углерод — настолько продвинутый элемент, что это единственный элемент, который может восхищаться собой, как умело продемонстрировала Мэрилин Монро, когда она спела свою песню «Бриллианты — лучшие друзья девушек».

Наш любимый профессор химии, человек с сумасшедшей прической, только что загрузил новое видео об углероде. В нем он берет нас на экскурсию по вещам жизни:


Посетите веб-сайт Periodic Videos.

Все те альтернативные формы углерода, которые профессор упомянул в этом видео, известны как аллотропы . Аллотропы — это вещества, имеющие одинаковый атомный состав (в данном случае углерод), но отдельные компоненты, сами атомы углерода, расположены по-разному. Поскольку углерод имеет четыре неспаренных электрона на внешней электронной оболочке, он образует четыре связи. По этой причине у него есть широкий спектр механизмов, которые он может принять, чтобы изменить его структурную форму, что видно по чемодану, полному моделей, который вы видели в видео. (Наш профессор также подтвердил наше давнее, но не озвученное подозрение, что чемоданы путешествующих химиков заполнены не одеждой, а моделями углеродных аллотропов.)

Теперь, когда я показал вам небольшой образовательный материал об углероде, это видео предназначено для вас, дети, прячущиеся в конце класса:


Посетите канал Theatre2Film на YouTube.

Для обзора мы немного узнали об этих элементах:

Boron: B , атомный номер 5
бериллий:
, атомный номер 4
литий: LI , атомный номер 3
Гелий: HE , атомный номер 2
водород : H , атомный номер 1

УГЛЕРОД: ЭЛЕМЕНТ СЮРПРИЗА

Это был один из немногих химических элементов, известных древним, хотя они никогда не догадывались о его повсеместном распространении и поразительном спектре свойств. Им были знакомы его черные аморфные формы: уголь, древесный уголь и сажа. Но углерод, элемент № 6 в периодической таблице, гораздо больше. Она затрагивает почти все аспекты нашей жизни и после столетий научных исследований преподносит множество сюрпризов. Углерод является мастером на все руки среди элементов. Нужно что-то твердое и прозрачное для драгоценного камня? Вот алмаз, чистый углерод. Нужно что-то мягкое и непрозрачное, чтобы делать отметки на бумаге? Вот немного графита, чистый углерод. Углерод является основным веществом биосферы; устранить воду, а основную часть вещества в живых существах составляет углерод.Органическая химия, то есть соединения углерода с водородом, произвела пластмассы и бесчисленное множество других веществ, необходимых современному обществу. Некоторые эксперты предсказывают, что полупроводниковые алмазы вскоре могут заменить кремниевые чипы и вызвать новую революцию в компьютерах и других электронных устройствах. Кроме того, есть фуллерены, также известные как «бакиболы» и «бакитрубки», недавно открытая группа углеродных соединений, которые рекламируются для использования во всем: от смазочных материалов до сверхпроводников и сверхпрочных волокон. Углерод настолько универсален, что отдельные атомы обычно играют практически бесконечные роли в составе различных молекул. Например, миллионы лет назад атом углерода в молекуле углекислого газа в воздухе мог попасть в лист в процессе фотосинтеза. Он стал бы частью молекулы сахара. Когда растение умерло и сжалось глубоко под землей, атом мог найти новую роль в куске угля, чтобы в конце концов пройти через топку электростанции.Или динозавр мог съесть растение и использовать атом углерода для производства белка или любого из тысяч других соединений, необходимых любой живой клетке. По некоторым оценкам, атомы углерода являются компонентами большего количества различных химических соединений, чем все остальные элементы вместе взятые. И все же этот элемент составляет удивительно небольшую долю, всего 0,08 процента, в земной коре, атмосфере и океанах. По распространенности он занимает 14-е место среди элементов на Земле, уступая только марганцу. В глобальном котле всего лишь щепотка углерода, но немногого хватит на долгий путь. Что такого особенного в этом удивительном атоме? Что делает углерод таким универсальным? Почему жизнь основана на углероде, а не на кремнии, которого на Земле более чем в 300 раз больше и который имеет схожие химические свойства? Для начала разберитесь, что такое углерод. Атомы углерода, как и все элементы, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны — положительно заряженные частицы, а электроны — отрицательно заряженные частицы. Нейтроны — нейтральные частицы. Количество протонов в ядре любого атома обеспечивает его идентичность.У углерода шесть протонов, и это то, что делает углерод углеродом. Если бы у атома было семь протонов, это был бы азот. Если бы их было пять, это был бы бор. Поскольку каждый протон во Вселенной абсолютно одинаков, все химические различия между элементами в конечном счете связаны с разным числом протонов. Представьте себе мороженое, в котором одна ложка ванильного, две шоколадных и три клубничного. То же самое и с атомами — шесть ложек протонов составляют углерод. Положительные заряды шести протонов углерода уравновешиваются отрицательными зарядами шести электронов.Пока протоны и нейтроны находятся в ядре, электроны движутся в пространстве, окружающем ядро. Давным-давно ученые изображали электроны как крошечные планеты, вращающиеся вокруг звезды по круговым траекториям. Это неправильно.

Точнее думать, что электроны носятся то в одну, то в другую сторону в явно случайных направлениях. Сегодня физики говорят не об электронах на орбитах, а об облаках или оболочках, окутывающих ядро.

Два из шести электронов углерода находятся на его внутренней оболочке, максимум, который может занимать эту оболочку в любом атоме.Остальные четыре находятся во внешней оболочке.

Поскольку вторая оболочка любого атома вмещает восемь электронов, у атома углерода есть место для совместного использования с электронами других атомов. Так, например, углерод может легко соединиться с четырьмя атомами водорода, потому что у каждого водорода есть один общий электрон. В этом случае формы оболочек меняются, охватывая все ядра. Это связывает атомы, что является ключом к универсальности углерода. В результате получается, кстати, Ч5 {индекс}, или метан, основной газ в «природном газе».

Хотя большинство элементов, образующих связи, явно предпочитают отдавать или принимать электроны, углерод может идти любым путем. Он может образовывать прочные связи с заядлыми донорами электронов (такими как водород, образующий химические вещества, называемые углеводородами), ненасытными поглотителями электронов. (например, кислород) и все, что между ними, включая самого себя

Это открывает мир возможностей для формирования разнообразных и сложных молекул Диаграммы в этой статье показывают некоторые из многих возможностей.

Прочность связей, образованных между атомами углерода, определяет исключительные свойства многих соединений углерода. Рассмотрим алмаз, одну из двух кристаллических форм углерода, встречающихся в природе. Другой — графит, материал, из которого изготавливают «грифель» карандаша.

В кристалле алмаза каждый атом углерода тесно связан с четырьмя другими, образуя жесткую трехмерную решетку. Прочные связи между атомами углерода делают алмаз самым твердым природным минералом.

Алмаз обладает и другими превосходными свойствами — это одно из самых совершенно прозрачных для света веществ и чрезвычайно высокий коэффициент преломления.Это означает, что световые лучи, проходящие через кристалл алмаза, преломляются и рассеиваются на составляющие их цвета более резко, чем в стекле или других прозрачных веществах. Это придает бриллиантам непревзойденный блеск и «огонь».

Алмаз также может действовать как полупроводник при смешивании с некоторыми другими элементами. Поскольку он рассеивает тепло легче, чем кремний, полупроводниковые чипы из синтетического алмаза могут быть меньше и, следовательно, быстрее, чем кремниевые чипы, используемые в графите, одном из самых мягких минералов, атомы углерода также сильно связаны, но не во всех направлениях.Вместо того, чтобы быть запертыми в жесткой трехмерной структуре, атомы выстраиваются в листы, гибкие, но чрезвычайно прочные. Листы уложены друг на друга, но слабо скреплены, легко скользя друг относительно друга. Вот почему легко размазать графит кончиком карандаша по бумаге, чтобы писать.

Несмотря на свою мягкость, графит обладает очень высокой прочностью на растяжение. Разделить один лист будет сложно. В результате графитовые волокна в сочетании со связующим веществом, таким как эпоксидная смола, образуют прочный и легкий композитный материал, который нашел множество применений от спортивного оборудования до крыльев самолетов.

Более того, графит сохраняет свою прочность при экстремально высоких температурах, что делает его удобным для многих аэрокосмических применений. Носовой обтекатель космического челнока, например, сделан из графитового композита.

Связующая мышца углерода также может придавать твердость и термостойкость другим материалам, особенно металлам. Высокоуглеродистая сталь, используемая для инструментов и режущих лезвий, где твердость имеет первостепенное значение, обычно содержит не более 2 процентов углерода. Некоторые соединения углерода, такие как карбид кремния и карбид вольфрама, почти такие же твердые, как алмаз.

Однако из всех химических достоинств атома углерода его способность связываться в длинные цепи оказала наибольшее влияние на химию Вселенной. Углеродные цепи могут состоять из многих тысяч атомов и часто включают в себя другие элементы, такие как азот, кислород и фосфор. Это свойство позволяет углероду строить сложные органические молекулы, составляющие основу жизни.

Другие элементы могут образовывать большие связи атомов. Кремний, например, может связываться сам с собой, хотя и не так прочно, как углерод, и при соединении с кислородом может образовывать большие структуры в виде кварца или других кристаллов силиката.Но эти трехмерные структуры плохо подходят для того, что делают живые существа.

Цепочки атомов углерода идеально подходят для хранения информации по всей их длине. ДНК, например, представляет собой цепь с основой из углерода, кислорода и фосфора. К остову прикреплены, как зубы к расческе, более короткие цепочки атомов углерода и азота, закрученные в кольца. Эти более короткие цепи, называемые основаниями, бывают четырех видов и, нанизанные в любой последовательности, образуют «буквы» генетического кода.

Углеродные цепи также можно скручивать и сворачивать для получения молекул с почти бесконечным разнообразием форм и химических свойств.Белки, цепочки соединений углерода и азота, называемые аминокислотами, являются химическими рабочими лошадками клетки.

Как ферменты, они поддерживают работу метаболических механизмов клетки, катализируя важные биохимические реакции. Каждая молекула фермента имеет характерную форму, определяющую соединения, с которыми она может ассоциироваться, и реакции, которые она может катализировать.

Цепи можно сплести вместе, образуя прочные волокна. Белковый коллаген и углеводная целлюлоза, оба прочные волокна, являются основными структурными материалами животных и растений соответственно. Пластмассы и синтетические волокна, такие как полиэстер, имитируют эти натуральные материалы и состоят из запутанных цепей неопределенно длинных органических молекул.

Наконец, углеродные цепи — удобный способ хранения энергии. Цепи, богатые углерод-углеродными и углерод-водородными связями, такие как крахмалы и жиры, служат источником энергии для клеток. Расщепляясь и соединяясь с кислородом, они высвобождают энергию и углекислый газ для запуска клеточного метаболизма. Люди повсюду используют энергию, хранящуюся в углеродных связях, когда они сжигают углеводороды, из которых состоит уголь, нефть, природный газ и другие соединения углерода в древесине.

До 1980-х годов считалось, что алмазные каркасы, графитовые листы, органические цепи и аморфные массы, такие как сажа, составляют полный структурный репертуар углерода. Список был неполным.

Экспериментаторы обнаружили, что при определенных обстоятельствах графитоподобные листы атомов углерода могут замыкаться друг на друга, образуя класс шаровидных и трубчатых молекул, называемых фуллеренами. Эти молекулы названы так потому, что их структура, сетка шестиугольников и пятиугольников, напомнила исследователям геодезический купол, самое известное изобретение архитектора Р.Бакминистр Фуллер. Более неформально эти молекулы называются бакиболами или бакитрубками, в зависимости от их формы.

Открытие этих совершенно новых форм углерода открыло новый мир исследований для химиков и материаловедов. Сообщения с фронтира рассказывают об удивительных свойствах фуллеренов и предполагают их многочисленные потенциальные применения.

Не имея свободных краев, на которые мог бы зацепиться водород и другие примеси, фуллерены являются наиболее чистыми формами углерода.Однако при намеренном добавлении соответствующих примесей фуллерены могут быть электрическими изоляторами, проводниками или сверхпроводниками, в зависимости от их пропорций.

Соединения фуллеренов являются потенциальными катализаторами многих важных для промышленности химических реакций. Форма и симметрия бакиболов позволяют предположить, что из них получаются исключительно хорошие смазки. Прочность и расположение углеродных связей в бакитрубках позволяют предположить, что они будут образовывать самые прочные из всех волокон.

Исследование фуллеренов остается очень поверхностным.Но, учитывая то, что известно об универсальности углерода в других его формах, трудно отвергнуть даже самые преувеличенные заявления. Пределы химии углерода еще предстоит вообразить, а тем более найти. ЗАГОЛОВОК: Четыре электрона во внешней оболочке углерода движутся в грушевидных областях. (Два внутренних электрона остаются ближе к ядру.) В этой молекуле метана, главного компонента «природного газа», четыре атома водорода связаны с углеродом, потому что у них есть общие электроны, которые движутся вокруг обоих ядер, тем самым прочно удерживая их вместе. .ЗАГОЛОВОК: Три известные формы чистого углерода. В алмазе каждый атом делит электроны с четырьмя другими атомами, образуя прочные «ковалентные» связи во всех направлениях. В графите ковалентные связи существуют только в двумерных плоскостях, образуя листы, слабо удерживаемые вместе гораздо более слабой «ван-дер-ваальсовой» связью, возникающей в результате притяжения противоположных электрических зарядов. Фуллерены ковалентно связаны, но с графитоподобным листом, свернутым в сферу. ЗАГОЛОВОК: Некоторые из многих соединений на основе углерода, некоторые из которых включают бензольное кольцо.Химическая диаграмма использует линии, чтобы показать, как каждый углерод разделяет свои внешние электроны.

Что такое углерод? — Урок истории и фактов для детей

Углерод на протяжении всей истории

Люди знали об углероде тысячи лет. Его название происходит от латинского слова «карбон», что означает «уголь».

В отличие от некоторых других элементов, точно неизвестно, кто первым открыл углерод. Он восходит к доисторическим временам, когда люди называли его древесным углем.

Вы когда-нибудь были у костра или видели, как кто-то жарит уголь на гриле?

Изображение древесного угля

Вы заметили черный грязный остаток? Эта черная сажа — это углерод.

В семнадцатом веке Роберт Бойль понял, что углерод — это элемент. Другие узнают, что это происходило в различных формах.

Антуан Лавуазье открыл, что алмазы являются разновидностью углерода.

В 1779 году Карл Вильгельм Шееле доказал, что графит также является формой углерода.

Затем в 1985 году группа ученых обнаружила новую форму углерода. Этот новый тип углерода, иногда называемый бакиболлами, создает очень прочные материалы, используемые для самых разных вещей.

Ученые постоянно изучают углерод и его использование, чтобы помочь в развитии медицины, а также в повседневной жизни. Давайте глубже рассмотрим, что такое углерод!

Факты об углероде

Углерод окружает вас повсюду.

Все элементы состоят из атомов. На самом деле все в мире состоит из атомов. Атомы являются наименьшими единицами материи. Каждый из них имеет определенное количество протонов и нейтронов в ядре. У них также есть определенное количество электронов, которые вращаются вокруг ядра или окружают его.

Элемент углерод в его наиболее распространенной форме имеет ровно 6 протонов, нейтронов и электронов. Тот факт, что он имеет 6 протонов, объясняет, почему мы говорим, что его атомный номер равен 6. Взгляните на схему, чтобы увидеть, как выглядит углерод. как атом.

Диаграмма атома углерода

При соединении углерода с другими элементами или веществами его химический состав может измениться.

  • Примеры:
    • Когда вы соединяете один атом углерода с двумя атомами кислорода, вы получаете углекислый газ, который вы выдыхаете, когда дышите.
    • Когда вы соединяете один атом углерода с одним атомом кислорода, вы получаете монооксид углерода. Это очень опасный газ, который образуется при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь или природный газ.

Итак, вы видите, что углерод является важным элементом для живых существ, но он также является основным компонентом полезных неживых существ.

Краткий обзор урока

Углерод — один из самых основных элементов , обнаруженных на нашей Земле. Атом углерода имеет ровно 6 протонов, нейтронов и электронов, что дает ему атомный номер 6. Есть три разных типа углерода, которые вы можете найти в воздухе, в живых существах и под землей.

c01.indd

%PDF-1.6 % 69 0 объект > эндообъект 185 0 объект >поток Acrobat Distiller 7.0.5 (Windows)2010-01-22T11:02:07+08:00Adobe InDesign CS4 (6.0.4)2010-01-22T11:15:04+08:002010-01-22T11:15:04+ 08:00приложение/pdf

  • оуэн
  • c01.indd
  • UUID: 0c748759-c573-4349-a526-3c506f58f712uuid: 65cc2f05-9cbb-44bd-a12d-7c3e008b813f конечный поток эндообъект 231 0 объект >/Кодировка>>>>> эндообъект 116 0 объект > эндообъект 141 0 объект > эндообъект 214 0 объект > эндообъект 55 0 объект > эндообъект 128 0 объект > эндообъект 203 0 объект > эндообъект 11 0 объект > эндообъект 230 0 объект > эндообъект 148 0 объект >поток HWKs6_Gc

    Перейти к основному содержанию Поиск