УГЛЕРОД (Carboneum) C хим. элемент IV гр. периодической системы, ат. н. 6, ат. м. 12,011. Природный У. состоит из двух стабильных изотопов — 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Сечение захвата тепловых нейтронов 3,5∙10−31 м2. В атмосфере присутствует радиоактивный нуклид 14C. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома У. 2s22p2; степени окисления +4, −4, редко +2 (CO, карбонилы металлов), +3 (C2N2, галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергий ионизации при последовательном переходе от C0 к C4+ соотв. 11,26040, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,5; атомный радиус 0,077 нм, ионный радиус C4+ (в скобках даны координационные числа) 0,029 нм (4), 0,030 нм (6). Содержание У. в земной коре 0,48% по массе.
Свободный У. находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса У. встречается в виде карбонатов природных (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94–97% C), бурые угли (64–80% C), каменные угли (76–95% C), горючие сланцы (56–78% C), нефть (82–87% C), газы природные горючие (до 99% CH4), торф (53–62% C), а также битумы и др.
В атмосфере и гидросфере У. находится в виде углерода диоксида CO2, в воздухе 0,046% CO2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~ 60 раз больше. У. входит в состав растений и животных (~ 18%).
Кругооборот У. в природе включает биологический цикл, выделение CO2 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 У. в виде CO2 поглощается из тропосферы растениями, затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями У. попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде CO2 — в атмосферу. В парообразном состоянии и в виде соед. с азотом и водородом У. обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах. Большинство соединений У., и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений.
Прочность простых, двойных и тройных связей атомов У. между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов C обусловливают существование огромного числа углеродсодержащих соед., изучаемых органической химией. Свойства. Основные и хорошо изученные кристаллические модификации У. — алмаз и графит.
При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и др. формы метастабильны. При атм. давлении и температуре выше 1200 К алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 К превращение совершается за секунды; ΔH0перехода −1,898 кДж/моль. При нормальном давлении У. сублимируется при 3780 К.
Жидкий У. существует только при определенном внеш. давлении. Тройные точки: графит — жидкость — пар T = 4130 К, p = 12 МПа; графит — жидкость — алмаз T= 4100 К, p = 12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 К и давлении 11–12 ГПа.
При давлениях выше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации У. III (плотность на 15–20% выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 К) из высокоориентир. графита образуется гексагональная модификация У. с кристаллической решеткой типа вюрцита — лонсдейлит (a = 0,252 нм, c = 0,412 нм, пространственная группа P63/mmc), плотн. 3,51 г/см3, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.
Кристаллическая модификация У. гексагон. сингонии с цепочечным строением молекул наз. карбин. Цепи имеют либо полииновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно неск. 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 — окислит. дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме. В основе строения аморфного У. лежит разупорядоченная структура мелкокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс (см. кокс каменноугольный, кокс нефтяной, кокс пековый), бурые и каменные угли, сажа (см. технический углерод), активный уголь. У. известен также в виде кластерных частиц C60 и C70. При обычных температурах У. химически инертен, при достаточно высоких соединяется со мн. элементами, проявляет сильные восстановительные свойства.
Химическая активность разных форм У. убывает в ряду: аморфный У., графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соотв. выше 300–500 °C, 600–700 °C и 850–1000 °C. Продукты горения — углерода оксид CO и диоксид CO2. Известны также неустойчивый оксид C3O2 (т. пл. −111 °C, т. кип. 7 °C) и некоторые др. оксиды. Графит и аморфный У. начинают реагировать с H2 при 1200 °C, с F2 — соотв. выше 900 °C и при комнатной температуре. Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения (см. графита соединения). При пропускании электрического разряда между угольными электродами в среде N2 образуется циан, при высоких температурах взаимодействием У. со смесью H2 и N2 получают синильную кислоту. С серой У. дает сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. С большинством металлов, B и Si У. образует карбиды. Важна в промышленности реакция У. с водяным паром C + H2O → CO + H2. При нагревании У. восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.
О применении У. см. вышеперечисленные статьи, а также см. углеграфитовые материалы, углепластики и др. У. входит в состав атм. аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Частицы У. поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание поверхности Земли. У. поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация У. над источниками горения 100–400 мкг/м3, крупными городами 2,4–15,9 мкг/м3, сельскими районами 0,5–0,8 мкг/м3. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6–15)∙109 Бк/сут 14CO2. Высокое содержание У. в атм. аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в осн. антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м3: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический У. и углеродная пыль 4,0; в атм. воздухе для сажи макс. разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м3. Токсич. действие 14C, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиационным воздействием β-частиц и ядер отдачи азота (14C β→ 14N) и трансмутационным эффектом — изменением хим. состава молекулы в результате превращения атома C в атом N. Допустимая концентрация 14C в воздухе рабочей зоны ДКА 1,3 Бк/л, в атм. воздухе ДКБ 4,4 Бк/л, в воде 3,0∙104 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2∙108 Бк/год. У. в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа У. установлена А. Лавуазье в конце 1780-х гг.
Лит.: Химия гиперкоординированного углерода, пер. с англ., М., 1990, Kirk — Othmer encyclopedia, 3 ed., v. 4, N. Y., 1978, p. 556–709.
Некоторые файлы и информация, находящиеся на данном сайте, были найдены в сети ИНТЕРНЕТ, как свободно распространяемые, присланы пользователями сайта или найдены в альтернативных источниках, также использованы собственные материалы. Автор сайта не претендует на авторство ВСЕХ материалов. Если Вы являетесь правообладателем той или иной продукции или информации, и условия, на которых она представлена на данном ресурсе, не соответствуют действительности, просьба немедленно сообщить с целью устранения правонарушения.
Категории раздела
Вход
Поиск
Друзья сайта
Наш опрос
Статистика
