Молекулярный вес углерода. Нахождение в природе

Углерод (лат. Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14 С с периодом полураспада(Т ½ = 5,6·10 3 лет). Небольшие количества 14 С (около 2·10 -10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N. По удельной активности изотопа 14 С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14 С широко используется в качестве изотопного индикатора.

Историческая справка. Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.

В 1778 году 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) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 году Лавуазье. Латинское название сагboneum Углерод получил от carbo - уголь.

Распространение Углерода 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, древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная 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. Большую геохимическую роль в земной коре играют СО 2 и угольная кислота. Огромное количество СО 2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основные источник Углерода для биосферы.

По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает Углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые - основной источник энергии.

Огромное геохимическое значение имеет круговорот Углерода.

Углерод широко распространен также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

Физические свойства Углерода. Известны несколько кристаллических модификаций Углерода: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит и другие. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а = 2,462Å, c = 6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560Å. 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 давлениях выше 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2) и температурах выше 3700 °С. Для твердого Углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемых "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 "аморфного" Углерод 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 3). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно.

Химические свойства Углерода. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Углерода 2s 2 2p 2 . Для Углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждением 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 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С 4- 2,60Å, С 4+ 0,20Å. При обычных условиях Углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" Углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием оксида углерода (IV) СО 2 и оксида углерода (II) СО.

СО 2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 году О. Дильс получил недооксид Углерода С 3 О 2 . Все формы Углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO 3 и КСlO 3 и других). "Аморфный" Углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение Углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом Углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углерода синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы СОХ 2 (где X - галоген) наиболее известна хлороксид СОСl (фосген). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" Углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном метан СН 4 , при 1500-2000 °С - ацетилен С 2 Н 2 ; в продуктах могут присутствовать также других углеводороды, например этан С 2 Н 6 , бензол С 6 Н 6 . Взаимодействие серы с "аморфным" Углеродом и графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS 2 . Другие соединения Углерода, содержащие серу (тиооксид CS, тионедооксид С 3 S 2 , серооксид COS и тиофосген CSCl 2), получают косвенным путем. При взаимодействии CS 2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие Углерода с азотом с получением циана (CN) 2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений Углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, галогенцианы, нитрилы и других При температурах выше 1000 °С Углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы Углерода при нагревании восстанавливают оксиды металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Рb и других) или карбидов (СаС 2 , Мо 2 С, WC, ТаС и других). Углерод реагирует при температурах выше 600-800 °С с водяным паром и углекислым газом (Газификация топлив). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа С 8 Ме, С 24 Ме, С 8 Х (где X - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 и другие (например, бисульфат графита C 24 SO 4 H 2). Все формы Углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).

Народнохозяйственное значение Углерода 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 пластических масс и других.

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 другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления Углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один других 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 других атомами Углерода создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и 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 лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органических соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерода служили метан (СН 4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является оксид углерода (IV) (СО 2), находящийся в атмосфере, а также растворенный в природных водах в виде НСО 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерода (в форме СО 2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т СО 2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО 2 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 современное научно-технических проблем.

Содержание Углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основные за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду СО 2 . Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерода вновь превращается в СО 2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть Углерода минерализуется и образует залежи ископаемого Углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Помимо основной функции - источника Углерода - СО 2 , растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО 3 Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других Такие соединения Углерода, как HCN, СО, ССl 4 , преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

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 Углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н 14 СО 3 - растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций 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.

Кратко рассказать о том, что такое углерод, невозможно. Ведь он - основа жизни. Данный элемент имеется во всех органических соединениях, и только он может формировать молекулы ДНК из миллионов атомов. Его свойства многочисленны, так что о нем стоит рассказать поподробней.

Формула, обозначения, особенности

Данный элемент, находящийся в таблице под порядковым номером шесть, обозначается символом «С». Электронная структурная формула углерода выглядит следующим образом: 1s 2 2s 2 2p 2 . Его масса - 12,0107 а.е.м. У этого вещества имеется:

• Два неспаренных электрона в основном состоянии. Проявляет валентность II.
• Четыре неспаренных электрона в возбужденном состоянии. Проявляет валентность IV.

Следует отметить, что определенная масса углерода содержится в земной коре. 0,023%, если быть точнее. Главным образом он накапливается в верхней части, в биосфере. Большая часть массы углерода литосферы накапливается в доломитах и известняках, в виде карбонатов.

Физические характеристики

Итак, что такое углерод? Это вещество, которое существует в огромном множестве аллотропных модификаций, и их физические свойства перечислять можно долго. А разнообразие веществ обуславливается способностью углерода к образованию химических связей отличающихся типов.

Что касательно свойств углерода, как простого вещества? Их можно обобщить следующим образом:

• При нормальных условиях плотность составляет 2,25 г/см³.
• Температура кипения равна 3506,85 °C.
• Молярная теплоемкость - 8,54 Дж/(K.моль).
• Критическая температура фазового перехода (когда газ не конденсируется ни при каком давлении) - 4130 К, 12 МПа.
• Молярный объем 5,3 см³/моль.

Также стоит перечислить углеродные модификации.

Из кристаллических веществ самыми известными являются: алмаз, карбин, графит, наноалмаз, фуллерит, лонсдейлит, фуллерен, а также углеродные волокна.

К аморфным образованиям относится: древесный, ископаемый и активированный уголь, антрацит, кокс, стеклоуглерод, сажа, техуглерод и нанопена.

Но ничто из перечисленного не является чистой аллотропной формой обсуждаемого вещества. Это лишь химические соединения, в которых углерод содержится в высокой концентрации.

Структура

Интересно, что электронные орбитали атома углерода не одинаковы. Они имеют разную геометрию. Все зависит от степени гибридизации. Есть три наиболее часто встречающиеся геометрии:

• Тетраэдрическая . Она образуется, когда происходит смешение трех р- и одного s-электронов. Такая геометрия атома углерода наблюдается у лонсдейлита и алмаза. Аналогичную структуру имеет метан и прочие углеводороды.
• Тригональная . Данную геометрию образует смешение двух р- и одной s-электронной орбитали. Еще один р-элемент не принимает участия в гибридизации, но он задействован при образовании π-связи с прочими атомами. Эта структура свойственна фенолу, графиту и прочим модификациям.
• Дигональная . Эта структура образуется вследствие смешения s- и р-электронов (по одному). Интересно, что выглядят электронные облака, как несимметричные гантели. Вытянуты они вдоль оного направления. Еще два р-электрона образуют пресловутые π-связи. Данная геометрия характерна для карбина.

Не так давно, в 2010 году, ученые из университета, который находится в Ноттингеме, открыли соединение, в котором сразу четыре атома оказались в одной плоскости. Его название - мономерный дилитио метандий.

Молекулы

О них стоит сказать в отдельности. Атомы обсуждаемого вещества могут соединяться, вследствие чего образуются сложные молекулы углерода. От насыщенных Na, С 2 и Н 2 , между которыми слишком слабое притяжение, их отличает склонность конденсироваться в твердое состояние. Молекулы углерода могут оставаться в газообразном состоянии, только если поддерживать высокую температуру. Иначе вещество мгновенно затвердеет.

Некоторое время тому назад в США, в Берклеевской национальной лаборатории, была синтезирована новая форма твердого углерода. Это - С36. И его молекулу образует 36 углеродных атомов. Вещество образуется вместе с фуллеренами С60. Происходит это между двумя электродами графита, в условиях пламени дугового разряда. Ученые предполагают, что молекулы нового вещества обладают интересными химико-электрическими свойствами, которые пока не изучены.

Графит

Теперь можно более подробно рассказать о самых известных модификациях такого вещества, как углерод.

Графит - это самородный минерал со слоистой структурой. Вот его особенности:

• Он отлично проводит ток.
• Является относительно мягким веществом из-за своей низкой твердости.
• При нагревании в отсутствие воздуха проявляет устойчивость.
• Не плавится.
• На ощупь жирный, скользкий.
• В природном графите содержится 10-12% примесей. Как правило, это окислы железа и глины.

Если говорить о химических свойствах, то стоит отметить, что с солями и щелочными металлами это вещество образует так называемые соединения включения. Еще графит при высокой температуре реагирует с кислородом, сгорая до углекислого газа. Но вот контакт с неокисляющими кислотами никакого результата за собой не влечет - это вещество в них просто не растворяется.

Применяют графит в самых разных сферах. Его используют при изготовлении футеровочных плит и плавильных тиглей, в производстве нагревательных элементов и электродов. Без участия графита невозможно получить синтетические алмазы. Также он играет роль замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. И, конечно же, из него делают стержни для карандашей, мешая с каолином. И это лишь часть сфер, где он используется.

Алмаз

Это метастабильный минерал, который может существовать неограниченное количество времени, что в некоторой степени обусловлено прочностью и плотностью углерода. Алмаз является самым твердым веществом по шкале Мооса, он легко разрезает стекло.

У него высокая теплопроводность, дисперсия, показатель преломления. Он износостойкий, а чтобы заставить его плавиться, нужна температура в 4000 °C и давление около 11 ГПа. Его особенность - люминесценция, способность светиться разными цветами.

Это редкое, хоть и распространенное вещество. Возраст минералов, согласно данным определенных исследований, может колебаться от 100 миллионов до 2,5 миллиарда лет. Обнаружены алмазы внеземного происхождения, возможно, даже досолнечного.

Этот минерал нашел свое применение в ювелирном деле. Ограненный алмаз, именуемый бриллиантом, стоит дорого, но статус драгоценности и красота сделали его еще более популярным. Кстати, также это вещество используют при изготовлении резцов, сверл, ножей и т. д. Благодаря своей исключительной твердости, минерал применяют во многих производствах.

Карбин

В продолжение темы о том, что такое углерод, нужно пару слов сказать и о такой его модификации, как карбин. Он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами. Получен искусственным образом в начале 60-х годов советскими учеными.

Особенность данного вещества заключается в увеличивающейся под световым воздействием проводимости. Именно поэтому его стали применять в фотоэлементах.

Графен

Это первый в мире двумерный кристалл. У данной модификации большая механическая жесткость, чем у графита, и рекордно высокая теплопроводность, составляющая ~5.10 3 Вт.м −1 .К−. У носителей заряда графена высокая подвижность, именно поэтому вещество имеет перспективы в плане его использования в разных приложениях. Считается, что он может стать будущей основой наноэлектроники и даже заменить кремний в интегральных микросхемах.

Графен получают искусственно, в научных лабораториях. Для этого приходится прибегать к механическому отщеплению графитовых слоев от высокоориентированного вещества. Так получают образцы высокого качества с необходимой подвижностью носителей.

Его свойства изучены не полностью, но кое-что интересное ученые уже успели отметить. Например, в графене нет вингеровской кристаллизации. А в двойном слое вещества поведение электронов напоминает то, которое свойственно жидким кристаллам. Если соблюсти параметры скалывания на кристалле, удастся получить графеновую коробчатую наноструктуру.

Токсичность

Эту тему стоит отметить в заключение рассказа о том, что такое углерод. Дело в том, что это вещество выделяется в атмосферу вместе с выхлопными газами автомобилей. А еще при сжигании угля, подземной газификации и во многих других процессах.

Повышенное содержание этого вещества в воздухе приводит к увеличению численности заболеваний. В частности, это касается легких и верхних дыхательных путей. А токсическое действие обусловлено взаимодействием радиационного характера с β-частицами, которое ведет к тому, что химический состав молекулы меняется и свойства вещества - тоже.

УГЛЕРОД , С, химический элемент IV группы периодической системы, атомный вес 12,00, порядковый номер 6. До последнего времени углерод считался не имеющим изотопов; лишь недавно удалось с помощью особо чувствительных методов обнаружить существование изотопа С 13 . Углерод - один из важнейших элементов по распространенности, по многочисленности и разнообразию его соединений, по биологическому значению (как органоген), по обширности технического использования самого углерода и его соединений (как сырья и как источника энергии для промышленных и бытовых нужд) и наконец по своей роли в развитии химической науки. Углерод в свободном состоянии обнаруживает ярко выраженное явление аллотропии, известное уже более полутора веков, но до сих пор не вполне изученное как по причине чрезвычайной трудности получения углерода в химически чистом виде, так и потому, что большинство констант аллотропных модификаций углерода сильно меняется в зависимости от морфологических особенностей их структуры, обусловленных способом и условиями получения.

Углерод образует две кристаллические формы - алмаз и графит и кроме того известен в аморфном состоянии в виде т. н. аморфного угля . Индивидуальность последнего в результате недавних исследований оспаривалась: уголь отождествляли с графитом, рассматривая тот и другой как морфологические разновидности одной формы - «черного углерода», а разницу в их свойствах объясняли физической структурой и степенью дисперсности вещества. Однако в самое последнее время получены факты, подтверждающие существование угля как особой аллотропной формы (см. ниже).

Природные источники и запасы углерода . По распространенности в природе углерод занимает среди элементов 10-е место, составляя 0,013% атмосферы, 0,0025% гидросферы и около 0,35% всей массы земной коры. Большая часть углерода находится в форме кислородных соединений: в атмосферном воздухе содержится ~800 млрд. тонн углерода в виде двуокиси СО 2 ; в воде океанов и морей - до 50000 млрд. тонн углерода в виде СО 2 , иона угольной кислоты и бикарбонатов; в горных породах - нерастворимые карбонаты (кальция, магния и других металлов), причем на долю одного СаСО 3 приходится ~160·10 6 млрд. тонн углерода. Эти колоссальные запасы не представляют, однако, энергетической ценности; гораздо более ценными являются горючие углеродистые материалы - ископаемые угли, торф, затем нефть, углеводородные газы и другие природные битумы. Запас этих веществ в земной коре также довольно значителен: общая масса углерода в ископаемых углях достигает ~6000 млрд. тонн, в нефти ~10 млрд. тонн и т. д. В свободном состоянии углерод встречается довольно редко (алмаз и часть вещества графитов). Ископаемые угли почти или вовсе не содержат свободного углерода: они состоят гл. обр. из высокомолекулярных (полициклических) и весьма устойчивых соединений углерода с другими элементами (Н, О, N, S) еще очень мало изученных. Углеродистые соединения живой природы (биосферы земного шара), синтезируемые в растительных и животных клетках, отличаются чрезвычайным разнообразием свойств и количеств состава; наиболее распространенные в растительном мире вещества - клетчатка и лигнин - играют роль и в качестве энергетических ресурсов. Углерод сохраняет постоянство распределения в природе благодаря непрерывному круговороту, цикл которого слагается из синтеза сложных органических веществ в растительных и животных клетках и из обратной дезагрегации этих веществ при их окислительном распаде (горение, гниение, дыхание), приводящем к образованию СО 2 , которая вновь используется растениями для синтеза. Общая схема этого круговорота м. б. представлена в следующем виде:

Получение углерода . Углеродистые соединения растительного и животного происхождения неустойчивы при высоких температурах и, будучи подвергнуты нагреванию не ниже 150-400°С без доступа воздуха, разлагаются, выделяя воду и летучие соединения углерода и оставляя твердый нелетучий остаток, богатый углеродом и обычно называемый углем . Этот пиролитический процесс носит название обугливания , или сухой перегонки , и широко применяется в технике. Высокотемпературный пиролиз ископаемых углей, нефти и торфа (при температуре 450-1150°С) приводит к выделению углерода в графитообразной форме (кокс, ретортный уголь). Чем выше температура обугливания исходных материалов, тем получаемый уголь или кокс ближе по составу к свободному углероду, а по свойствам - к графиту.

Аморфный же уголь, образующийся при температуре ниже 800°С, не м. б. рассматриваем как свободный углерод, ибо содержит значительные количества химически связанных других элементов, гл. обр. водорода и кислорода. Из технических продуктов к аморфному углю наиболее близки по свойствам активированный уголь и сажа. Наиболее чистый уголь м. б. получен обугливанием чистого сахара или пиперонала, специальной обработкой газовой сажи и т. п. Искусственный графит, полученный электротермическим путем, по составу представляет собою почти чистый углерод. Природный графит всегда бывает загрязнен минеральными примесями и кроме того содержит некоторое количество связанных водорода (Н) и кислорода (О); в относительно чистом состоянии он м. б. получен лишь после ряда специальных обработок: механического обогащения, промывки, обработки окислителями и прокаливания при высокой температуре до полного удаления летучих веществ. В технологии углерода никогда не имеют дела с совершенно чистым углеродом; это относится не только к натуральному углеродному сырью, но и к продуктам его обогащения, облагораживания и термического разложения (пиролиза). Ниже приведено содержание углерода в некоторых углеродистых материалах (в %):

Физические свойства углерода . Свободный углерод практически совершенно неплавок, нелетуч и при обыкновенной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Он растворяется только в некоторых расплавленных металлах, особенно при температуре, приближающихся к температуре кипения последних: в железе (до 5%), серебре (до 6%)| рутении (до 4%), кобальте, никеле , золоте и платине. При отсутствии кислорода углерод является наиболее жароупорным материалом; жидкое состояние для чистого углерода неизвестно, а превращение его в пар начинается лишь при температуре выше 3000°С. Поэтому определение свойств углерода производилось исключительно для твердого агрегатного состояния. Из модификаций углерода алмаз обладает наиболее постоянными физическими свойствами; свойства графита в различных его образцах (даже наиболее чистых) значительно варьируют; еще более непостоянны свойства аморфного угля. Важнейшие физические константы различных модификаций углерода сопоставлены в таблице.

Алмаз - типичный диэлектрик, в то время как графит и уголь обладают металлической электропроводностью. По абсолютной величине проводимость их меняется в очень широких пределах, но для углей она всегда ниже, чем для графитов; у графитов же приближается к проводимости настоящих металлов. Теплоемкость всех модификаций углерода при температуре >1000°С стремится к постоянному значению 0,47. При температуре ниже -180°С теплоемкость алмаза становится исчезающе малой и при -27°С она практически делается равной нулю.

Химические свойства углерода . При нагревании выше 1000°С как алмаз, так и уголь постепенно превращаются в графит, который поэтому следует рассматривать как наиболее устойчивую (в условиях высоких температур) монотропную форму углерода. Превращение аморфного угля в графит начинается по-видимому около 800°С и заканчивается при 1100°С (в этой последней точке уголь теряет свою адсорбционную активность и способность к реактивации, а электропроводность его резко возрастает, оставаясь в дальнейшем почти постоянной). Для свободного углерода характерна инертность при обычных температурах и значительная активность - при высоких. Наиболее активен в химическом отношении аморфный уголь, в то время как алмаз обладает наибольшей резистентностью. Так, например, фтор реагирует с углем при температуре 15°С, с графитом же лишь при 500°С, а с алмазом при 700°С. При нагревании на воздухе пористый уголь начинает окисляться ниже 100°С, графит около 650°С, алмаз же выше 800°С. При температуре 300°С и выше уголь соединяется с серой в сероуглерод CS 2 . При температуре выше 1800°С углерод (уголь) начинает взаимодействовать с азотом, образуя (в незначительных количествах) дициан C 2 N 2 . Взаимодействие углерода с водородом начинается при 1200°С, причем в интервале температур 1200-1500°С образуется только метан СН 4 ; выше 1500°С - смесь метана, этилена (С 2 Н 4) и ацетилена (С 2 Н 2); при температуре порядка 3000°С получается почти исключительно ацетилен. При температуре электрической дуги углерод вступает в прямое соединение с металлами, кремнием и бором, образуя соответствующие карбиды. Прямыми или косвенными путями м. б. получены соединения углерода со всеми известными элементами, кроме газов нулевой группы. Углерод - элемент неметаллического характера, проявляющий некоторые признаки амфотерности. Атом углерода имеет диаметр 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 см) и содержит во внешней сфере 4 валентных электрона, которые с равной легкостью отдаются либо дополняются до 8; поэтому нормальная валентность углерода как кислородная, так и водородная равна четырем. В подавляющем большинстве своих соединений углерод четырехвалентен; лишь в незначительном числе известны соединения двухвалентного углерода (окись углерода и ее ацетали, изонитрилы, гремучая кислота и ее соли) и трехвалентного (т. н. «свободный радикал»).

С кислородом углерод образует два нормальных окисла: двуокись углерода СО 2 кислотного характера и нейтральную окись углерода СО. Кроме того существует ряд недокисей углерода , содержащих более 1 атома С, не имеющих технического значения; из них наиболее известна недокись состава С 3 О 2 (газ с температурой кипения +7°С и температурой плавления -111°С). Первым продуктом горения углерода и его соединений является СО 2 , образующаяся по уравнению:

С+О 2 = СО 2 +97600 cal.

Образование СО при неполном сгорании топлива есть результат вторичного восстановительного процесса; восстановителем в этом случае служит сам углерод, который при температуре выше 450°С реагирует с СО 2 по уравнению:

СО 2 +С = 2СО -38800 cal;

реакция эта обратима; выше 950°С превращение СО 2 в СО делается практически полным, что и осуществляется в газогенераторных печах. Энергичная восстановительная способность углерода при высоких температурах используется также при получении водяного газа (Н 2 О+С = СО+Н 2 -28380 cal) и в металлургических процессах - для получения свободного металла из его окисла. К действию некоторых окислителей аллотропные формы углерода относятся различно: например, смесь KCIO 3 + HNO 3 на алмаз совершенно не действует, аморфный уголь окисляется ею сполна в СО 2 , графит же дает соединения ароматического ряда - графитовые кислоты с эмпирической формулой (С 2 ОН)х и далее меллитовую кислоту С 6 (СООН) 6 . Соединения углерода с водородом – углеводороды - крайне многочисленны; от них генетически производится большинство остальных органических соединений, в которые кроме углерода входят чаще всего Н, О, N, S и галоиды.

Исключительное многообразие органических соединений, которых известно до 2 млн., обусловлено некоторыми особенностями углерода как элемента. 1) Для углерода характерна прочность химической связи с большинством остальных элементов как металлического, так и неметаллического характера, благодаря чему он образует достаточно устойчивые соединения и с теми и с другими. Вступая в сочетание с другими элементами, углерод весьма мало склонен к образованию ионов. Большая часть органических соединений - гомеополярного типа и в обычных условиях не диссоциирует; разрыв внутримолекулярных связей в них нередко требует затраты значительного количества энергии. При суждении о прочности связей следует однако различать; а) прочность связи абсолютную, измеряемую термохимическим путем, и б) способность связи разрываться под действием различных реагентов; эти две характеристики далеко не всегда совпадают. 2) Атомы углерода с исключительной легкостью связываются друг с другом (неполярно), образуя углеродные цепи , открытые или замкнутые. Длина таких цепей по-видимому не подвержена никаким ограничениям; так, известны вполне устойчивые молекулы с открытыми цепями из 64 атомов углерода. Удлинение и усложнение открытых цепей не отражается на прочности связи их звеньев между собою или с другими элементами. Среди замкнутых цепей наиболее легко образуются 6- и 5-членные кольца, хотя известны кольчатые цепи, содержащие от 3 до 18 углеродных атомов. Способность атомов углерода к взаимному соединению хорошо объясняет особые свойства графита и механизм процессов обугливания; она делает понятным и тот факт, что углерод неизвестен в форме двухатомных молекул С 2 , чего можно было бы ожидать по аналогии с другими легкими неметаллическими элементами (в парообразной форме углерод состоит из одноатомных молекул). 3) Благодаря неполярному характеру связей очень многие соединения углерода обладают химической инертностью не только внешней (медленность реагирования), но и внутренней (затрудненность внутримолекулярных перегруппировок). Наличие больших «пассивных сопротивлений» сильно затрудняет самопроизвольное превращение неустойчивых форм в устойчивые, часто сводя скорость такого превращения к нулю. Результатом этого является возможность реализации большого числа изомерных форм, практически одинаково устойчивых при обыкновенной температуре.

Аллотропия и атомная структура углерода . Рентгенографический анализ дал возможность с достоверностью установить атомную структуру алмаза и графита. Этот же метод исследования пролил свет и на вопрос о существовании третьей аллотропной модификации углерода, являющийся по сути дела вопросом об аморфности или кристалличности угля: если уголь - аморфное образование, то он не м. б. отождествлен ни с графитом, ни с алмазом, а должен рассматриваться как особая форма углерода, как индивидуальное простое вещество. В алмазе атомы углерода размещены т. о., что каждый атом лежит в центре тетраэдра, вершинами которого являются 4 смежных атома; каждый из последних в свою очередь является центром другого такого же тетраэдра; расстояния между смежными атомами равны 1,54 Ᾰ (ребро элементарного куба кристаллической решетки равно 3,55 Ᾰ). Такая структура является наиболее компактной; ей соответствуют высокая твердость, плотность и химическая инертность алмаза (равномерное распределение валентных сил). Взаимная связь атомов углерода в решетке алмаза такая же, как и в молекулах большинства органических соединений жирного ряда (тетраэдрическая модель углерода). В кристаллах графита атомы углерода расположены плотными слоями, отстоящими один от другого на 3,35-3,41 Ᾰ; направление этих слоев совпадает с плоскостями спайности и плоскостями скольжения при механических деформациях. В плоскости каждого слоя атомы образуют сетку с шестиугольными ячейками (роты); сторона такого шестиугольника равна 1,42-1,45 Ᾰ. В смежных слоях шестиугольники не лежат один под другим: совпадение их по вертикали повторяется лишь через 2 слоя в третьем. Три связи каждого атома углерода лежат в одной плоскости, образуя углы в 120°; 4-я связь направлена попеременно в ту или другую сторону от плоскости к атомам соседних слоев. Расстояния между атомами в слое строго постоянны, расстояние же между отдельными слоями м. б. изменено внешними воздействиями: так, при прессовании под давлением до 5000 atm оно уменьшается до 2,9 Ᾰ, а при набухании графита в концентрированной HNO 3 - увеличивается до 8 Ᾰ. В плоскости одного слоя атомы углерода связаны гомеополярно (как в углеводородных цепях), связи же между атомами смежных слоев имеют скорее металлический характер; это видно из того, что электропроводность кристаллов графита в направлении, перпендикулярном к слоям, в ~100 раз превышает проводимость по направлению слоя. Т. о. графит обладает свойствами металла в одном направлении и свойствами неметалла - в другом. Расположение атомов углерода в каждом слое решетки графита совершенно такое же, как в молекулах сложноядерных ароматических соединений. Такая конфигурация хорошо объясняет резкую анизотропность графита, исключительно развитую спайность, антифрикционные свойства и образование ароматических соединений при его окислении. Аморфная модификация черного углерода, по-видимому, существует как самостоятельная форма (О. Руфф). Для нее наиболее вероятным является пенообразное ячеистое строение, лишенное всякой правильности; стенки таких ячеек образованы слоями активных атомов углерода толщиною примерно в 3 атома. На практике активная субстанция угля залегает обычно под оболочкой из тесно расположенных неактивных атомов углерода, ориентированных графитообразно, и пронизана включениями очень мелких графитовых кристаллитов. Определенной точки превращения уголь→графит вероятно не имеется: между обеими модификациями осуществляется непрерывный переход, на протяжении которого происходит перестроение беспорядочно скученной массы С-атомов аморфного угля в правильную кристаллическую решетку графита. В силу своего беспорядочного расположения атомы углерода в аморфном угле проявляют максимум остаточного сродства, что (согласно представлениям Лангмюира о тождественности адсорбционных сил с силами валентными) соответствует столь характерной для угля высокой адсорбционной и каталитической активности. Атомы углерода, ориентированные в кристаллическую решетку, затрачивают на взаимное сцепление все свое сродство (в алмазе) или большую часть его (в графите); этому соответствует понижение химической активности и активности адсорбционной. У алмаза адсорбция возможна лишь на поверхности монокристалла, у графита же остаточная валентность может проявляться на обеих поверхностях каждой плоской решетки (в «щелях» между слоями атомов), что и подтверждается фактом способности графита к набуханию в жидкостях (HNO 3) и механизмом его окисления в графитовую кислоту.

Техническое значение углерода . Что касается б. или м. свободного углерода, получаемого при процессах обугливания и коксования, то его применение в технике основывается как на химических (инертность, восстановительная способность), так и на физических его свойствах (жаростойкость, электропроводность, адсорбционная способность). Так, кокс и древесный уголь, помимо частичной прямой утилизации их в качестве беспламенного топлива, используются для получения газообразного горючего (генераторных газов); в металлургии черных и цветных металлов - для восстановления металлических окислов (Fe, Сu, Zn, Ni, Сг, Мn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химической технологии - как восстановитель при получении сульфидов (Na, Са, Ва) из сульфатов, безводных хлористых солей (Mg, Аl), из окисей металлов, при производстве растворимого стекла и фосфора - как сырье для получения карбида кальция, карборунда и других карбидов сероуглерода и т. д.; в строительном деле - как термоизолирующий материал. Ретортный уголь и кокс служат материалом для электродов электрических печей, электролитических ванн и гальванических элементов, для изготовления дуговых углей, реостатов, коллекторных щеток, плавильных тиглей и т. п., а также в качестве насадки в химической аппаратуре башенного типа. Древесный уголь кроме указанных выше применений идет для получения концентрированной окиси углерода, цианистых солей, для цементации стали, широко используется как адсорбент, как катализатор для некоторых синтетических реакций, наконец входит в состав дымного пороха и других взрывчатых и пиротехнических составов.

Аналитическое определение углерода . Качественно углерод определяется обугливанием пробы вещества без доступа воздуха (что пригодно далеко не для всех веществ) или, что гораздо надежнее, исчерпывающим окислением его, например, прокаливанием в смеси с окисью меди, причем образование СО 2 доказывается обычными реакциями. Для количественного определения углерода навеска вещества подвергается сожжению в атмосфере кислорода; образующаяся СО 2 улавливается раствором щелочи и определяется весовым или объемным путем по обычным методам количественного анализа. Этот способ годен для определения углерода не только в органических соединениях и технических углях, но также и в металлах.

МОУ «Никифоровская средняя общеобразовательная школа №1»

Углерод и его основные неорганические соединения

Реферат

Выполнил: ученик 9В класса

Сидоров Александр

Учитель: Сахарова Л.Н.

Дмитриевка 2009

Введение

Глава I. Всё об углероде

1.1. Углерод в природе

1.2. Аллотропные модификации углерода

1.3. Химические свойства углерода

1.4. Применение углерода

Глава II. Неорганические соединения углерода

Заключение

Литература

Введение

Углерод (лат. Carboneum) С – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса 12,011(1). Рассмотрим строение атома углерода. На наружном энергетическом уровне атома углерода находятся четыре электрона. Изобразим графически:

Углерод был известен с глубокой древности, и имя первооткрывателя этого элемента неизвестно.

В конце XVII в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный и нагрели их с помощью зажигательного стекла солнечными лучами. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе. В 1772 г. французский химик А. Лавуазье показал, что при сгорании алмаза образуется СО 2 . Лишь в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы графита и угля. После сгорания равных количеств угля и алмаза объемы оксида углерода (IV) оказались одинаковыми.

Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обуславливает особое положение углерода среди других элементов.

Глава I . Всё об углероде

1.1. Углерод в природе

Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и в виде соединений.

Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина.

Алмазы очень редки. Самый большой из известных алмазов – «Куллинан» был найден в 1905 г. в Южной Африке, весил 621,2 г и имел размеры 10×6,5×5 см. В Алмазном фонде в Москве хранится один из самых боль­ших и красивых алмазов в мире – «Орлов» (37,92 г).

Свое название алмаз получил от греч. «адамас» – непобедимый, несокрушимый. Самые значительные месторождения алмазов находятся в Южной Африке, Бразилии, в Якутии.

Крупные залежи графита находятся в ФРГ, в Шри-Ланке, в Сибири, на Алтае.

Главными углеродсодержащими минералами являются: магнезит МgСО 3 , кальцит (известковый шпат, известняк, мрамор, мел) СаСО 3 , доломит СаМg(СО 3) 2 и др.

Все горючие ископаемые – нефть, газ, торф, каменные и бурые угли, сланцы – построены на углеродной основе. Близки по составу к углероду некоторые ископаемые угли, содержащие до 99% С.

На долю углерода приходится 0,1% земной коры.

В виде оксида углерода (IV) СО 2 углерод входит в состав атмосферы. В гидросфере растворено большое количество СО 2 .

1.2. Аллотропные модификации углерода

Элементарный углерод образует три аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин.

1. Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sр 3 -гибридизации. В возбуждённом состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов. При образовании химических связей электронные облака приобретают одинаковую вытянутую форму и располагаются в пространстве так, что их оси оказываются направленными к вершинам тетраэдра. При перекрывании вершин этих облаков с облаками других атомов углерода возникают ковалентные связи под углом 109°28", и образуется атомная кристаллическая решетка, характерная для алмаза.

Каждый атом углерода в алмазе окружён четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом, атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. При 20°С плотность алмаза составляет 3,515 г/см 3 . Этим объясняется его исключительная твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток.

В 1961 г. в Советском Союзе было начато промышленное производство синтетических алмазов из графита.

При промышленном синтезе алмазов используются давления в тысячи МПа и температуры от 1500 до 3000°С. Процесс ведут в присутствии катализаторов, которыми могут служить некоторые металлы, например Ni. Основная масса образующихся алмазов – небольшие кристаллы и алмазная пыль.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000°С превращается в графит. При 1750°С превращение алмаза в графит происходит быстро.

Структура алмаза

2. Графит – серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступающее даже бумаге.

Атомы углерода в кристаллах графита находятся в состоянии sр 2 -гибридизации: каждый из них образует три ковалентные σ-связи с соседними атомами. Углы между направлениями связей равны 120°. В результате образуется сетка, составленная из правильных шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя составляет 0,142 нм. Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.

Негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя, и перекрываясь друг с другом, образуют делокализованные σ-связи. Соседние слои в кристалле графита находятся друг от друга на расстоянии 0,335 нм и слабо связаны между собой, в основном силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите частично имеет металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит хорошо проводит электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.

Структура графита

Физические свойства в графите сильно различаются по направлениям – перпендикулярному и параллельному слоям атомов углерода.

При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никаких изменений до 3700°С. При указанной температуре он возгоняется, не плавясь.

Искусственный графит получают из лучших сортов каменного угля при 3000°С в электрических печах без доступа воздуха.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, поэтому он принимается в качестве стандартного состояния углерода. Плотность графита составляет 2,265 г/см 3 .

3. Карбин – мелкокристаллический порошок чёрного цвета. В его кристаллической структуре атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями в линейные цепочки:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Это вещество впервые получено В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым в начале 60-х годов XX века.

Впоследствии было показано, что карбин может существовать в разных формах и содержит как полиацетиленовые, так и поликумуленовые цепочки, в которых углеродные атомы связаны двойными связями:

С=С=С=С=С=С=

Позднее карбин был найден в природе – в метеоритном веществе.

Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость сильно увеличивается. За счёт существования разных типов связи и разных способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке физические свойства карбина могут меняться в широких пределах. При нагревании без доступа воздуха выше 2000°С карбин устойчив, при температурах около 2300°С наблюдается его переход в графит.

Природный углерод состоит из двух изотопов

Раньше считали, что древесный уголь, сажа и кокс близки по составу чистому углероду и отличающиеся по свойствам от алмаза и графита, представляют самостоятельную аллотропную модификацию углерода («аморфный углерод»). Однако было установлено, что эти вещества состоят из мельчайших кристаллических частиц, в которых атомы углерода связаны так же, как в графите.

4. Уголь – тонко измельчённый графит. Образуется при термическом разложении углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются по свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Они всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее важные сорта угля – кокс, древесный уголь, сажа.

Кокс получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха.

Древесный уголь образуется при нагревании дерева без доступа воздуха.

Сажа – очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара и др.) при ограниченном доступе воздуха.

Активные угли - пористые промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода. Адсорбцией называют поглощение поверхностью твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Активные угли получают из твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения, например костей. Угли, отличающиеся высокой механической прочностью, производят из скорлупы кокосовых и других орехов, из косточек плодов. Структура углей представлена порами всех размеров, однако адсорбционная ёмкость и скорость адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объёма гранул. При производстве активного угля вначале исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, в результате которой из него удаляется влага и частично смолы. При этом образуется крупнопористая структура угля. Для получения микропористой структуры активацию производят либо окислением газом или паром, либо обработкой химическими реагентами.

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии - создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом . Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества - углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород - самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород - самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» - именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов - от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются - а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита - мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей - но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток - хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев - сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам - они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям - электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия - и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит - диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя - вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита - невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует - испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру - происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита - это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии - для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях - именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « ».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его - на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз - приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен - материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии - золотые контакты, над ними находится графен, выше - тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов - они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья - и . Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, - углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену - он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, .

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с .

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена - по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу - карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации - при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен- диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов - их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе - его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник - одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый - кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй - кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C 60 , или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов - фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.

Фуллериты - кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды - кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, - это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K 3 C 60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода - 33 кельвина, Cs 2 RbC 60 . Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp 2 -гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия - только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное - не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ - стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio ) - мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» - sp 1 -гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp 1 -углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов - квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны - ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод - это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв