Углерод (химический символ — C, от лат. carboneum — рождающий уголь) — химический элемент с атомным номером 6, расположенный в 14-й группе (по устаревшей классификации — в главной подгруппе IVA) второго периода Периодической системы Д. И. Менделеева. Это неметалл, который играет ключевую роль в химии и биологии, являясь основой всех органических соединений. bigenc.ru +4
Физические и химические свойства
Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии — 1s²2s²2p². На внешнем уровне атом содержит четыре валентных электрона. В возбуждённом состоянии один из s-электронов переходит на p-подуровень, что увеличивает число неспаренных электронов до четырёх, и углерод становится четырёхвалентным.
Возможные валентности: II, IV. Степени окисления: от −4 до +4. skysmart.ru +1
Атомный радиус: 77 пм. Электроотрицательность: 2,55 ед. по шкале Полинга.
При обычных температурах углерод химически инертен, но при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз.
Аллотропные модификации
Углерод существует в множестве аллотропных модификаций с разнообразными физическими свойствами. Их разнообразие обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Кристаллический углерод входит в состав твёрдых веществ, например:
- Алмаз — трёхмерный полимер, бесцветное кристаллическое вещество, самый твёрдый природный минерал. Имеет высокую теплопроводность и способность преломлять свет (люминесценция). Используется в промышленности для обработки твёрдых материалов, бурения горных пород, а также в ювелирном производстве.
- Графит — мягкое серо-чёрное вещество с слоистой структурой. Является полупроводником, обладает электропроводностью и используется как смазка, в электродах, стержнях для карандашей, замедлителях нейтронов в ядерных реакторах. ru.wikipedia.org* +1
- Лонсдейлит — гексагональный алмаз.
- Фуллерены — молекулярные соединения, представляющие собой шарообразные молекулы C₆₀ или C₇₀, состоящие из пяти- и шестиугольников атомов углерода.
- Углеродные нанотрубки — полые цилиндры из атомов углерода, обладающие уникальными механическими, тепловыми и электрическими свойствами.
- Карбин — линейная форма углерода с чередующимися одинарными и тройными связями. Обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно увеличивается. skysmart.ru +1
Аморфный углерод образует мягкие вещества, например:
- Уголь — мельчайшие кристаллики графита, полученные путём термического разложения углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Включает кокс, древесный уголь, сажу.
- Кокс — чёрная масса из аморфного углерода, получаемая при пиролизе каменного угля без доступа воздуха. Используется в металлургии в качестве восстановителя.
- Древесный уголь — образуется при нагревании дерева без доступа воздуха. Обладает высокой адсорбционной способностью.
- Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок, получаемый при сжигании углеводородов с ограниченным доступом воздуха. Используется в производстве резины, типографской краски. skysmart.ru +1
- Активированный уголь — пористый промышленный адсорбент, получаемый из твёрдого топлива, дерева и продуктов его переработки. Применяется для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха, в медицине при отравлениях. skysmart.ru +1
Изотопы
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов: ¹²C (98,892%) и ¹³C (1,108%). В небольшом количестве существует в виде радиоактивного изотопа ¹⁴C с периодом полураспада 5730 лет. На образовании и распаде ¹⁴C основан метод радиоуглеродного датирования, который применяется в четвертичной геологии и археологии.
Нахождение в природе
Углерод встречается в природе в виде простых веществ (алмаза, графита), а также в составе:
- углекислого газа (CO₂);
- карбонатов (доломита CaMg(CO₃)₂, мрамора CaCO₃);
- горючих ископаемых (каменного угля, нефти, природного газа);
- растений и животных (около 17,5% массы). bigenc.ru +1
В атмосфере углерод содержится в виде диоксида углерода (около 0,03%), в воде — в составе растворимых гидрокарбонатов кальция и магния.
Содержание углерода в земной коре составляет около 0,48% по массе.
Химические свойства
Углерод может проявлять свойства как окислителя, так и восстановителя, поэтому реагирует с металлами и неметаллами. Некоторые реакции:
- С галогенами. Из галогенов углерод реагирует только со фтором: C + 2F₂ → CF₄. skysmart.ru +1
- С кислородом. При нагревании взаимодействует с кислородом, образуя оксиды СО и СО₂: 2C + O₂ → 2CO (при недостатке кислорода), C + O₂ → CO₂ (при избытке кислорода).
- С серой и кремнием. При сильном нагревании реагирует с серой и кремнием с образованием сероуглерода и карбида кремния: C + 2S → CS₂, C + Si → SiC. skysmart.ru +1
- С водородом. В присутствии никелевого катализатора и при нагревании образует метан: C + 2H₂ → CH₄. skysmart.ru +1
- С металлами. Образует карбиды: 2C + Ca → CaC₂, 4C + 3Al → Al₄C₃. umschool.net +1
- С оксидами металлов. Восстанавливает металлы из их оксидов, например: C + ZnO → Zn + CO.
Углерод окисляется в растворе концентрированной серной и азотной кислот.
Биологическая роль
Углерод — биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле. Он входит в состав всех органических веществ: предельных, непредельных и ароматических углеводородов, спиртов, альдегидов, карбоновых и нуклеиновых кислот, белков, жиров и углеводов.
Кругооборот углерода в природе включает выделение углекислого газа CO₂ в атмосферу при окислении органических веществ и возвращение его в результате фотосинтеза растениями. С растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде CO₂ — в атмосферу.
В организме человека углерод составляет около 21% массы тела (примерно 15 кг на 70 кг массы тела). Он входит в состав мышц (до 67%) и костной ткани (около 36%). nsportal.ru +1
Применение
Углерод и его соединения используются в самых разных областях:
- Материаловедение и инженерия. Алмаз применяется в режущих инструментах, шлифовальных камнях, электронике. Графит используется в электродах, смазках, стержнях для карандашей. Углеродные нанотрубки и фуллерены перспективны в электронике, энергетике и биомедицине. geeksforgeeks.org +1
- Органическая химия. Углерод — основа всех органических соединений. Его изучение лежит в основе органической химии. geeksforgeeks.org +1
- Химия окружающей среды. Углекислый газ и метан играют роль в парниковом эффекте и глобальном потеплении.
- Химическая промышленность. Углеродсодержащие соединения используются для производства нефтехимии, лекарств, синтетических тканей, моющих средств.
- Топливо. Нефть, природный газ и уголь — источники энергии, используемые в транспорте, энергетике и отоплении.
- Медицина. Активированный уголь применяется для абсорбции токсинов, в лечении отравлений.
Таким образом, углерод — один из самых важных элементов, играющий ключевую роль как в природе, так и в жизни человека.