Углерод

(далее У)(латинское Carboneum), С, элемент группы периодической системы номер 6, масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: ¹² (98,892%) и ¹³ (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен ¹⁴ с периодом полураспада (Т = 5,6×10³ лет). Небольшие количества ¹⁴ (около 2×10^-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп ¹⁴. По удельной активности изотопа ¹⁴ в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. ¹⁴ широко используется в качестве изотопного индикатора.

Историческая справка. У известен с глубокой древности. Древесный служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять 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. 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. У был признан элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum У получил от carbo -
Распространение в природе. Среднее содержание У 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). У накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% У древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть У литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.

Число собственных минералов У - 112; исключительно велико число органических соединений У - углеводородов и их производных.

С накоплением У в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют ₂ и кислота. Огромное количество ₂ выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основной источник У для биосферы.

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

Огромное геохимическое значение имеет круговорот У (см. ниже раздел в организме и ст. Круговорот веществ).

У широко распространен также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после и
Физико и свойства. Известны четыре модификации У графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из гексагональной структуры: а=2,462Å, c=6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м², или 1 кгс/см²) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, вещество. имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560 Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). 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 У может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м² (105 кгс/см²) и температурах выше 3700 °С. Для твердого У (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемый "аморфный" У который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей "аморфного" У выше 1500-1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства "аморфного" У очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность "аморфного" У всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9-2 г/см³). Построен из длинных цепочек С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.

Конфигурация внешней электронной оболочки У 2s²2p². Для У характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp³. Поэтому У способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. связь может осуществляться за счет sp³-, sp²- и sp-гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов У и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между У
Уникальная способность У соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений У изучаемых органической химией.

В соединениях У проявляет степени окисления -4; +2; +4. радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус ^4- 2,60Å, ⁴⁺ 0,20Å. При обычных условиях У инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. активность убывает в ряду: "аморфный" У графит, алмаз; взаимодействие с воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием двуокиси ₂ и окиси .

₂ растворяется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 О. Дильс получил недоокись У ₃₂. Все формы У устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями ( смесь, смесь концентрированных ₃ и ₃ и др.). "Аморфный" У реагирует с при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение У с происходит в электрической дуге; с и иодом У не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX₂ (где Х - галоген) наиболее известна ₂ (фосген). с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" У реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (, ): при 600-1000 °С образуется в основном метан ₄, при 1500- 2000 °С - ацетилен ₂₂, в продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, например этан ₂₆, бензол ₆₆. Взаимодействие серы с "аморфным" У и графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод ₂. Др. соединения У содержащие серу (тиоокись , тионедоокись ₃₂, сероокись и тиофосген ₂), получают косвенным путем. При взаимодействии ₂ с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие У с с получением циана ()₂ происходит при пропускании электрического разряда между электродами в атмосфере Среди соединений У важное практическое значение имеют цианистый (см. Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000 °С У взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы У при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (, , , и др.) или карбидов (₂, ₂, , и др.). У реагирует при температурах выше 600- 800 °С с водяным паром и углекислым газом (см. 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 ₈Me, ₂₄Me, ₈X (где Х - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с ₃, ₂₄, ₃ и др. (например, бисульфат графита ₂₄₄₂). Все формы У нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, , , ).

Народнохозяйственное значение У 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 др.

О получении и применении У и его соединений см. также Алмаз, Графит, Кокс, Сажа, Углеродистые огнеупоры, Углерода двуокись, Углерода окись, Карбонаты.

Б. А. Поповкин.

У в организме. У - 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.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления У Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции соединений (см. Происхождение жизни).

Уникальная роль У в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между У а также между У и др. элементами образуются прочные связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность У образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. У создает возможность для построения 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 соединений небольшое число типов связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения У 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 органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками У служили метан (₄) и цианистый (), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического У за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (₂), находящаяся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде ^-₃. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) У (в форме ₂) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т ₂). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения ₂ путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют У 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 и др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника У углеводороды нефти,- одна из важных современных научно-технических проблем.

Содержание У 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 основном за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду ₂. У выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть У вновь превращается в ₂ в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот У в природе (см. Круговорот веществ). Значительная часть У минерализуется и образует залежи ископаемого У каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основные функции - источника У ₂, растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе ₃ У образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения У как , , ₄, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов У в природе распространен радиоактивный ¹⁴ (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов У в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота У в природе (см. Изотопные индикаторы). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации ₁₄^-₃ растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение ¹⁴ способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза и передачи наследственной информации. Определение удельной активности ¹⁴ в органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Н. Н. Чернов.

Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. - Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., эволюция, пер. с англ., М., 1971; Леви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.