...
ВУГЛЕЦЬ PDF Печать E-mail

ВУГЛЕЦЬ

План

1. Поширення в природі
2. Фізичні і хімічні властивості вуглецю
3. Народногосподарське значення вуглецю
4. Вуглець в організмі
1. ПОШИРЕННЯ В ПРИРОДІ
Вуглець (лат. Carboneum, С) - хімічний елемент IV
групи періодичної системи Менделєєва. Відомі два
стабільних ізотопу 12С (98,892%) і 13С (1,108%).

Вуглець відомий з глибокої старовини. Деревний
вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз -
як коштовний камінь. Значно пізніше став застосовуватися
графить для виготовлення тиглів і олівців.

У 1778 р.. К. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив,
що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою,
виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмазу був
встановлений в результаті дослідів А. Лавуазье (1772) по вивченню
горіння алмазу на повітрі і в результаті досліджень
С. Теннанта (1797), що довело, що однакові кількості
алмазу і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого
газу. Вуглець як хімічний елемент був визнаний
тільки у 1789 р.. А. Лавуазье. Латинська назва carboneim
вуглець отримав від сагЪо - вугілля.
Середній зміст вуглецю в земній корі складає
2,3 - 10~2 % по масі. Вуглець накопичується у верхній частині
земної кори (біосфері) : в живій речовині 18 % вуглецю, в
деревині - 50 %, в кам'яному вугіллі - 80 %, в нафті - 85 %, в
антрациті - 96 %. Значна частина вуглецю літосфери
зосереджена у вапняках і доломітах.
Число власних мінералів вуглецю - 112, исклю
чительно велике число органічних сполук вуглецю -
вуглеводні і їх похідні.
З накопиченням вуглецю в земній корі пов'язане накопле
ние і багатьох інших елементів, сорбируемых органічним
речовиною і що осідають у вигляді нерозчинних карбону
В порівнянні з середнім змістом вуглецю в зем
ний корі, людство у виключно великих кількостях
витягає вуглець з надр (вугілля, нафта, природний газ), оскільки
ці копалини - основні сучасні джерела енергії.
Вуглець широко поширений також в космосі; на Солн
це він займає четверте місце після водню, гелію і киць
лорода.
2. ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
ВУГЛЕЦЮ
Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю :
графіт, алмаз, карбин і лонедейлит.
Графить - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик,
луската, дуже м'яка маса з металевим блиском.
Алмаз - дуже тверда кристалічна речовина. Кристали
мають кубічні гранецентровані грати
((А = 3,560 Е). Помітне перетворення алмазу на графіт спостерігається
при температурах понад 1 400°З у вакуумі або в інертній
атмосфері. При атмосферному тиску і температурі
близько 3 700°З графіт випаровується.
Рідкий вуглець може бути отриманий при давлении'выше
103 Мпа і температурах вище 3 700°С. Для твердого вуглецю
((кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан
з невпорядкованою структура - "аморфний" вуглець, який
не є самостійною модифікацією; у
основі його будови лежить структура дрібнокристалічного
графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного
" вуглецю вище 1 500-1 600°З без доступу повітря викликає
їх перетворення на графіт. Фізичні властивості "аморфного
" вуглецю дуже залежать від дисперсності часток і наявності
домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і
електропровідність "аморфного" вуглецю завжди вища, ніж
графіту.

Карбин отриманий штучно. Він є
дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність р
((4°С) - 1,9-2 г/см3). Побудований з довгих ланцюжків атомів
вуглецю, укладених паралельно один одному.

Лонедейлит знайдений в метеоритах і отриманий штучно;
його структура і властивості остаточно не встановлені.
Електронна конфігурація зовнішньої оболонки углеро
та 2s22p2:
Для вуглецю характерна освіта чотирьох ковалгптных
зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої оболонки
до стану 2s(2p3:
Тому вуглець здатний в рівній мірі як притягувати,
так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може
здійснюватися за рахунок утворення sp3 -, sp 2 - і sp -гибридных
орбіталей, яким відповідають координаційні числа
4, 3 і 2. Число валентних електронів вуглецю і число валентних
орбіталей однаково - це одна з причин стійкості
зв'язки між атомами вуглецю.

Унікальна здатність атомів вуглецю з'єднуватися
між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і цик
лов привела до виникнення величезного числа разнообраз
ных з'єднань вуглецю, що вивчаються органічною хімією.
У з'єднаннях вуглець проявляє міри окислення - 4;
++2; +4. Атомний радіус 0,77 Е, ковалентні радіуси 0,77 Е,
0,0,67 Е, 0,60 Е відповідно в одинарній, подвійній і потрійній
зв'язках; іонний радіус С'" 2,60 Е, З' 0,20 Е. При звичайних
умовах вуглець хімічно інертний, при високих темпера
турах він з'єднується з багатьма елементами, проявляючи сильні
відновні властивості.
Усі форми вуглецю стійкі до лугів і кислот і
повільно окислюються тільки дуже сильними окисниками,
наприклад хромовою сумішшю (суміш концентрованих HNO3
і КС1О3) або киснем :
2С + О2 (недост.) 2СО
З + О2 (хат.)
"Аморфний" вуглець реагує з фтором при кімнатній
температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. Безпосередньо
з'єднання вуглецю з хлором відбувається в електричній
дузі; з бромом і йодом вуглець не реагує, тому
численні галогеніди вуглецю синтезують непрямим
шляхом. З оксигалогенидов загальної формули СОХ2 (де X
- галоген) найбільш відомий хлороокис СОС12 (фосген).
При температурах вище 1 000°З вуглець взаємодіє
з металами, даючи карбіди:
Усі форми вуглецю при нагріванні відновлюють
оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn,
Cd, Сі, Pb та ін.) АБО карбідів (СаС2, Мо2С, WC, ТаС та ін.) :
Сао + ЗС -. -* СаС2 + СОТІВ.
Вуглець реагує при температурах вище 600-800°Із з
водяною парою і вуглекислим газом :
>З + Н2Т;

Усі форми вуглецю нерастворимы в звичайних неорганічних
і органічних розчинниках, але розчиняються в
деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

3. НАРОДНОГОСПОДАРСЬКЕ ЗНАЧЕННЯ
Народногосподарське значення вуглецю визначається
тим, що понад 90 % усіх первинних джерел споживаної
у світі енергії доводиться на органічне паливо, що очолює
роль якого збережеться і на найближчі десятиліття,
незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики.
Тільки 10 % палива, що добувається, використовується в якості
сировини для основного органічного синтезу і нафтохімічного
синтезу, для отримання пластичних мас та ін.

4. ВУГЛЕЦЬ В ОРГАНІЗМІ
Вуглець - найважливіший біогенний елемент, що становить
основу життя на Землі, структурна одиниця величезного
числа органічних сполук, що беруть участь в побудові
організмів і в забезпеченні їх життєдіяльності (бионолимеры,
а також численні низькомолекулярні біологічно
активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори і
ін.). Значна частина необхідної організмам енергії
утворюється в клітинах за рахунок окислення вуглецю. Виникнення
життю на Землі розглядається в сучасній науці
як складний процес еволюції вуглецевих з'єднань.

Унікальна роль вуглецю в живій природі обусловленп
його властивостями, яких в сукупності не має ні
один інший елемент періодичної системи. Між атомами
вуглецю, а також між вуглецем і іншими елементами
утворюються міцні хімічні зв'язки, які, проте, можуть
бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних
умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними).
Здатність вуглецю утворювати 4 рівнозначні валентні
зв'язки з іншими атомами створює можливість для
побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних,
розгалужених, циклічних.

Показово, що тільки всього три елементи (З, О, Н)
складають 98 % загальної маси живих організмів. Цим досягається
певна економічність в живій природі: при
практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих
з'єднань невелике число типів хімічних зв'язків
дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних
для розщеплення і синтезу органічних речовин.

Особливості будови атома вуглецю лежить в основі різних
видів ізомерії органічних сполук (здатність
до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній
еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).

Згідно теорії А. И. Опарина, перші органічні
з'єднання на Землі мали абіогенне походження. Джерелами
вуглецю служили метан (СН4) і ціаністий водень
((НСН), що містилися в первинній атмосфері Землі. З
виникненням життя єдиним джерелом неорганічного
вуглецю, за рахунок якого утворюється усе органічне
речовина біосфери, являється двоокис вуглецю (СО2),
що знаходиться в атмосфері, а також розчинена в природних
водах у вигляді HCOj. Найбільш потужний механізм засвоєння
((асиміляція) вуглецю (у формі СО2) - фотосинтез - здійснюється
повсюдно зеленими рослинами. На Землі існує
і еволюційно більш древній спосіб засвоєння СО2
шляхом хемосинтезу; в цьому випадку микроорганизмы-хемосинтетики
використовують не променисту енергію Сонця, а енергію
окислення неорганічних з'єднань.

Більшість тварин споживають вуглець з їжею в
виді вже готових органічних сполук. У залежності
від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізняти
автотрофні і гетеротрофні організми.

Застосування для біосинтезу білку і інших поживних
речовин мікроорганізмів, що використовують в якості єдиний
ственного джерела вуглецю вуглеводні нафти, - одна
з важливих сучасних науково-технічних проблем.
I [омимо стабільних ізотопів вуглецю, в природі рас
просторовий радіоактивний иС (в організмі людини його з
тримається 0,1 мк Кюрі). З використанням ізотопів вуглецю
у біологічних і медичних дослідженнях пов'язані мно
гие великі досягнення у вивченні обміну речовин і круго
ворота вуглецю в природі. Так, за допомогою радіовуглецевої
мітки була доведена можливість фіксації рослинами і
тканинами тварин, встановлена послідовність реакції
фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, прослідкували шляхи
біосинтезу багатьох біологічно активних з'єднань і т. д.
Застосування |4С сприяло успіхам молекулярною біо
логии у вивченні механізмів біосинтезу білку і передачі
спадковій інформації. Визначення питомої актив
ности 14С у вуглецьвмісних органічних залишках по
зволяет судити про їх вік, що використовується в палеонто
логии і археології.

 

Яндекс.Метрика >