Углерод

Углерод
Атомный номер— 6 Внешний вид — Внешний вид простого вещества Углерод встречается как: Матово-черный (графит), Прозрачный (алмаз).
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	12,011 (природная смесь нуклидов) а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	77(sp³), 73(sp²), 69(sp) пм
Энергия ионизации (первый электрон)	1086,5 (11,25) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[He] 2s22p2
Химические свойства
Ковалентный радиус	77 пм
Радиус иона	16 (+4e) 260 (-4e)пм
Электроотрицательность (по Полингу)	2,55
Электродный потенциал	—
Степени окисления	4, 2, -4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	2,25 (графит) г/см³
Удельная теплоёмкость	8,517Дж/(K·моль)
Теплопроводность	1,59 Вт/(м·K)
Температура плавления	(1 atm) 3800 (графит) K, (3527 °C, 6381 °F)
Теплота плавления	n/a кДж/моль
Температура кипения	4300 K(4027°C,7281°F)
Теплота испарения	n/a кДж/моль
Молярный объём	5,3см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная (графит), кубическая (алмаз)
Период решётки	n/a Å
Отношение c/a	1860,00
Температура Дебая	n/a K

Углерод — химический элемент с атомным номером 6 в периодической системе, обозначается символом С (лат. Carboneum), неметалл.

Истрия названия и открытия

Углеро́д в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.

Международное название происходит от латинского carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда — и «уголь».

Изотопы углерода

Подробнее в статье изотопы углерода Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов — ¹²С (98,892 %) и ¹³С (1,108 %)и одного радиоактивного нуклида ¹⁴С (β-излучатель, Т_½= 5730 лет), состредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде ¹⁴С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода

Упрощенная фазовая диаграмма углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации могут быть метастабильны. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — жидкость, vapor — газ)

Схемы строения различных модификаций углерода:
a: алмаз,
b: графен,
c: графит
d: фуллерены — букибол C₆₀,
e: фуллерены C₅₄₀,
F: карбин,
g: технический углерод,
h: углеродные нанотрубки.

• графит,
• алмаз,
• карбин,
• лонсдейлит,
• фуллерены,
• углеродные нанотрубки,
• графен,
• аморфный углерод;

  уголь

  техуглерод

  сажа

Электронное строение атома углерода

‎Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

• тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp³-гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
• тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
• дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Графит и алмаз

Элементарная ячейка (углерода) алмаза

Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. ΔН₀ перехода — 1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 4130 K, р = 12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11—12 ГПа.

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/ттс), плотность 3,51 г/см³, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

В 1980-е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких матералах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, напрмер смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или ССl₄ в низкотемпературной плазме.

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Углерод известен также в виде кластерных частиц С₆₀, С₇₀ и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок.

Аморфный углерод

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

Нахождение в природе и получение

Руды и минералы

Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046 % СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %).
В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина)
Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО₂ в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО₂ поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде СО₂ — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Мировые ресурсы

Каменный уголь‎

Общие мировые ресурсы угля, которое находилось в недрах до того, как его начали добывать, оцениваются суммарной величиной более 15 000 млрд. т. Из них примерно половина доступна для добычи.

Основная масса мировых ресурсов угля находится в Азии и сосредоточена главным образом в Китае и России. Эти страны входят в число крупнейших производителей угля. Северная Америка и Западная Европа занимают соответственно второе и третье места по ресурсам угля и являются весьма крупными производителями угля.

Производство чистого элемента

Уголь или обычный древесный уголь - это химический элемент углерод (С). Его можно добыть при очистке недогоревших головешек из костра или купить активированный уголь в аптеке. Активированный уголь - это особым образом обработанный древесный, каменный или другой уголь, который обладает большой поглотительной, обесцвечивающей способностью. Обработка обыкновенно производится водяным и парами различных химических веществ. Регенерация активированного угля кислотами производится в зоне перегретого водяного пара. Чистый уголь применяется для поглощения различных лёгких в струе летучих газов, а также для обесцвечивания и дезодорации различных веществ и растворителей.

Физические свойства

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими и химическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Основные физические свойства собственно углерода смотри в таблице.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4, −4, редко +2 (СО, карбиды металлов), +3 (C₂N₂, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С⁰ к С⁴⁺ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами с образованием карбидов.

Продукты горения — оксид углерода CO и диоксид углерода СО₂. Известен также неустойчивый оксид С₃О₂ (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с Н₂ при 1200 °C, с F₂ — соответственно 900 °C.

CO₂ с водой образует слабую угольную кислоту — H₂CO₃, которая образует соли — Карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк и др. минералы) и магния (доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N₂ образуется циан, при высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н₂ и N₂ получают синильную кислоту. С серой углерод дает сероуглерод CS₂, известны также CS и C₃S₂. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды. Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром: С + Н₂О = СО + Н₂ (см. Газификация твердых топлив). При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Применение

См.также

• Соединения углерода
• Названия химических элементов на различных языках
• Кремний
• Германий

Ссылки

• Углерод на Webelements
• Углерод в Популярной библиотеке химических элементов

Периодическая система элементов

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

8

Uue

Ubn

Ubu

Ubb

Ubt

Ubq

Ubp

Ubh

Iа

IIа

IIIб

IIIб: лантаноиды и актиноиды и Суперактиноиды

IVб

Vб

VIб

VIIб

VIIIб

Iб

IIб

IIIа

IVа

Vа

VIа

VIIа

VIIIа

Химические семейства элементов периодической таблицы

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Лёгкие металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Инертные газы