Реферат : Углерод
Углерод (лат. Carboneum), С — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12 С (98,892 %) и 13 С (1,108 %).
Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применяться графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772 г.) по изучения горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797 г.), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 г. А. Лавуазье. Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo — уголь.
[sms]
Распространение в природе
Среднее содержание углерода в земной коре — 2,3 * 10 - 2 % по массе (1 * 10 –2 в ультраосновных, 1 * 10 - 2 — в основных, 2 * 10 - 2 — в средних, 3 * 10 –2 — в кислых горных породах). Углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18 % углерода, в древесине — 50 %, в каменном угле — 80 %, в нефти — 85 %, антраците — 96 %. Значит, часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов углерода — 112; исключительно велико число органических соединений углерода — углеводородов и их производных.
С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти ископаемые — основные источники энергии.
Углерод широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физические и химические свойства
Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной температуре и нормальном давлении графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560 Б. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400°С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700°С графит возгоняется. Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн / м и температурах выше 3700° С. Для твердого углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой (это “аморфный” углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита). Нагревание некоторых разновидностей “аморфного” углерода выше 1500 – 1600°С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства “аморфный” углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность “аморфного” углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9 – 2 г / см). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.
Конфигурация внешней оболочки атома углерода — 2s 2 2p 2. Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки до состояния 2sp 3. Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счет sp 3-, sp 2- и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода.
Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемых органической химией.
В соединениях углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус — 0,77Б, ковалентные радиусы — 0,77Б, 0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус — С 4-2,60Б, С 4+0,20Б. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.
Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь HNO 3 и KCIO 3 и др.). “Аморфный” углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании. Непосредственно соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и йодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX 2 (где Х — галоген) наиболее известна хлорокись COCI 2 (фосген).
При температурах выше 1000° С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC 2 , Mo 2 C, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600 – 800° С с водяным паром и углекислым газом.
Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение
Углерод определяется тем, что свыше 90 % всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластичных масс и др.
Углерод в организме
Углерод — важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества — витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.
Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — С, О, Н — составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили СН4 и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (СО2), находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, — одна из важных современных научно-технических проблем.
Помимо стабильных изотопов углерода в природе распространен радиоактивный 14 С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н 14 СО 3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14 С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.
[/sms]
