Углерод
| Обозначение | С |
| Период | II |
| Группа | IVA |
| Атомная масса | 12,011 |
| Атомный номер | 6 |
| Распределение электронов | 1s²2s²2р² |
| Температура плавления | 3550°С |
| Температура кипения | 4827°С |
| Электроотрицательность (по Полингу) | 2,55 |
| Степень окисления | +4, +3, +2, +1, 0, −1, −2, −3, −4 |
| Молярный объём | 5,3 см³/моль |
| Плотность (н.у.) | 2,25 г/см³ |
Углеро́д — шестой элемент Периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, международное название «Carboneum» происходит от лат. carbo (уголь)[1]. Химическая формула углерода — С. Расположен во втором периоде в главной подгруппе четвёртой группы, неметалл. При нормальных условиях агрегатное состояние углерода — твёрдое вещество с атомной кристаллической решеткой. Молекула углерода одноатомна. Может существовать в следующих аллотропных модификациях: алмаз, графит, кокс, древесный уголь, сажа. Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12С (98,892 %) и 13С (1,108 %). Открыт углерод английским химиком Смитсоном Теннантом в 1791 году. Углерод — биогенный элемент, составляющий основу жизни на нашей планете, структурная единица органических соединений, он участвует в построении живых организмов, обеспечивает их жизнедеятельность[2][3].
История открытия углерода
.svg)
Углерод известен как уголь, копоть, сажа, алмаз, графит. В 1778 году Карлом Вильгельмом Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется оксид углерода (IV) или углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов Антуана Лорана Лавуазье в 1772 году после изучения горения алмаза на воздухе и исследований Смитсона Теннанта в1797 году, доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 Антуаном Лораном Лавуазье[2].
Впервые «чистый уголь» был исследован им, как процесс сжигания в воздухе и кислороде. в 1787 году Гитоном де Морво, Антуаном Лораном Лавуазье, Клодом Луи Бертолле и Антуаном Франсуа Фуркруа было предложено название «углерода» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Первым получил свободный углерод английский химик Смитсон Теннант в 1791 году, пропуская пары фосфора над прокалённым мелом. При этом образовывался фосфат кальция и углерод. Алмаз сгорал без остатка при сильном нагревании. Процесс горения алмаза был известен с 1751 года во времена французского короля Франца Первого. После повторного сжигания алмаза с помощью зажигательной машины А. Лавуазье пришел к выводу, что алмаз — это кристаллический углерод. В алхимическом периоде графит — второй аллотроп углерода, который назвали «plumbago» и считали его видоизмененным свинцовым блеском[2].
В 1740 году Иоганном Генрихом Поттом было обнаружено отсутствие примеси свинца в графите. В 1779 году Карл Шееле счёл графит сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» — СО2 или углекислый газ. В 1760 году Гитон де Морво превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту при нагревании. В начале XIX века Александром Ивановичем Шерером, Василием Михайловичем Севергиным старое слово «уголь» в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор», с 1824 года Михаил Фёдорович Соловьёв ввёл название «углерод».
Углерод имеет следующие названия:
- международное — «Carboneum»;
- немецкое — «Kohlenstoff» (происходит от «Kohle» — уголь);
- древнерусское — «угорати», или «угарати» (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол[2].
Нахождение углерода в природе. Получение
В природе углерод встречается в виде простых веществ — алмаза и графита, он входит в состав углекислого газа — СО2, карбонатов: доломита — СаMg (CO3)2, мрамора — CaCO3, природного газа, нефти, каменного угля. Углерод образует огромное количество органических и неорганических соединений. Многообразие соединений углерода определило возникновение одного из основных разделов химии — органической химии. Углерод входит в состав всех органических веществ: предельных, непредельных и ароматических углеводородов, спиртов, альдегидов, карбоновых и нуклеиновых кислот, белков, жиров и углеводов[4][5].
Углерод получают пиролизом углеводородов при нагревании и без доступа воздуха. Например, при пиролизе метана образуется углерод С и выделяется две молекулы водорода Н2[3]: СН4 → С + 2Н2.
Мрамор, СаCO3
Доломит, СаMg(CO3)2
Алмаз, С
Графит, С
Каменный уголь, С
Нефть
Природный газ, СН4
_3_(33236930615).jpg)
Строение атома углерода
.png)
Углерод находится в четвёртой А группе во втором периоде Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Заряд ядра атома углерода равен +6. На внешнем энергетическом уровне атома углерода находятся четыре валентных электрона. В невозбуждённом состоянии два из них являются спаренными, а два — неспаренными. За счёт образования трёх ковалентных связей, две из которых образуются по обменному механизму, а одна по донорно-акцепторному, в невозбуждённом состоянии максимальная валентность углерода равна трём. При этом атом углерода выступает в роли донора, предоставляя для образования связи неподелённую электронную пару. В нейтральном атоме углерода находится шесть электронов. Два электрона образуют первый электронный слой и находятся в 1s гибридном состоянии, следующие четыре электрона образуют второй электронный слой, два из которых находятся в 2s гибридном состоянии, а два других — в 2р гибридном состоянии. Нейтральный атом углерода имеет электронно-графическую конфигурацию 1s²2s²2р² и поэтому в основном состоянии двухвалентен[5][6].
При поглощении энергии электроны внешнего уровня атома углерода распариваются и атом переходит в «возбуждённое» состояние, в котором на внешнем уровне содержится четыре неспаренных электрона. В большинстве химических соединений углерод может проявлять валентность равную четырём при переходе одного электрона из состояния 2s в 2р. При таком переходе атома углерода из нейтрального состояния в «возбуждённое» происходит «распаривание» электронов. Этому возбуждённому состоянию атома углерода соответствует электронная конфигурация 1s²2s¹2p³[3][5].
Физические свойства
Углерод относится к неметаллам, имеет твёрдую структуру и низкую температуру плавления, высокую термическую и электрическую проводимость. Углерод имеет несколько кристаллических модификаций: алмаз, графит, графен, карбин[7].
Алмаз — кристаллическое, твёрдое вещество. Кристаллы алмаза имеют гранецентрированную кубическую решётку: а = 3,560. При нормальных условиях алмаз метастабилен. При температурах выше 1400°С в вакууме или в инертной атмосфере алмаз может превратится в графит[3][7].
Графит — серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Графит термодинамически стабилен при нормальных условиях. Графит способен возгоняться при атмосферном давлении и температуре около 3700°С. При давлении выше 1051 кгс/см2 и температуре выше 3700°С может быть получен жидкий углерод. В основе строения «аморфного» углерода лежит структура мелкокристаллического графита. Такой углерод не представляет собой самостоятельной модификации, как кокс, сажа, древесный уголь. При нагревании выше 1500—600°С без доступа воздуха «аморфный» углерод превращается в графит. Физические свойства «аморфного» углерода зависят от наличия примесей и дисперсности частиц. У «аморфного» углерода плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность всегда выше, чем у графита[7].
.jpg)
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета с плотностью 1,9 — 2 г/см3 и был получен искусственным способом. Структура карбина представляет собой длинные цепочки атомов углерода, уложенных параллельно друг другу[8].
Графен имеет двухмерную решётку молекул, состоящих из слоя атомов углерода толщиной в одну молекулу (мономолекулярный слой), по форме напоминающую пчелиные соты. Впервые графен получен и исследован Александром Геймом и Константином Новосёловым, ставшими за это открытие лауреатами Нобелевской премии по физике в 2010 году[9].
Сравнение аллотропных модификаций алмаза и графита приведены в таблице 1[7].
| Свойство | Алмаз | Графит |
|---|---|---|
| Кристаллическая решетка | атомная | атомная |
| Вид химической связи | ковалентная неполярная | ковалентная неполярная |
| Растворимость в воде | нерастворим | нерастворим |
| Структура | тетраэдр | слоистая |
| Цвет | прозрачные кристаллы | серый, блеск металлический |
| Твёрдость по шкале Мооса | 10, принят за абсолют | 1 — 2 |
| Плотность, г/см³ | 3,47 — 3,55 | 2,08 — 2,2 |
| Электропроводность | изолятор, не проводит электрический ток | проводит электрический ток |
Химические свойства углерода
Углерод малоактивный неметалл, на холоде реагирует только с фтором — F2 с образованием тетрафторида углерода CF4. В химических реакциях с неметаллами и сложными веществами углерод проявляет восстановительные свойства:
CO2 + C = 2CO — реакция протекает при нагревании до температуры выше 900°С.
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) СО и водород:
C + H2O = CO + H2 — процесс возможен при нагревании до температуры выше 1200°С;
C + 2H2O = CO2 + H2 — реакция осуществима при нагревании до температуры выше 1000°С;
Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов — карботермия[7]:
2ZnO + C = 2Zn + CO2
CuO + C = Cu + CO
Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV)[3][7]:
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O;
3C + HNO3 = 3 CO2 + 4 NO + 2 H2O.
В реакциях с металлами и водородом проявляет слабые окислительные свойства[10]:
С + 2Ca = CaС2 — реакция протекает в присутствии никель-содержащего катализатора, продуктом реакции является карбид кальция, CaС2;
С + Si = CSi — продукт реакции карборунд, CSi, катализатором служит никель;
3C + CaO = CaC2 + CO — продукт реакции карбид кальция, CaС2 и оксид углерода (II), СО.
При нагревании углерод взаимодействует с кислородом, образуя оксиды углерода СО и СО2:
2С + О2 = 2СО;
С + О2 = СО2[10].
Применение углерода
Соединения углерода широко применяются в народном хозяйстве[7].
| Соединение углерода | Применение |
|---|---|
| Графит | изготовление грифелей карандашей, угольных электродов, плавильных тиглей, смазочного материала, замедлителя нейтронов в ядерных реакторах[5] |
| Алмаз | изготовление ювелирных изделий, режущих инструментов, в буровом оборудовании, абразивных материалов[5] |
| Углерод | восстановитель железа, кремния, изготовление активированного угля (адсорбента) для очистки воздуха и растворов, носителей для катализаторов полимеризации[5] |
| Карбин | в изготовлении источников тока в электронике, космонавтике, авиации, медицине, оптике, микроволновой и электрической технологиях[8] |
| Графен | в изготовлении солнечных батарей; для водоочистки, фильтрации и опреснения морской воды; для изготовления жидкокристаллических мониторов, светоизлучающих диодов, транзисторов, микросхем, сенсорных панелей; в графеновых аккумуляторах и источниках энергии; в медицине; для создания суперкомпозитов; для производства нанобетона; для очистки воды от радиоактивных загрязнений[9] |
Литература
- Общая химия. Учебник / под ред. С. Ф. Дунаева. — М.: Academia, 2017. — 160 c.
- Общая и неорганическая химия: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова, В. М. Таланова. — Рн/Д: Феникс, 2018. — 144 c.
- Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для СПО. — М.: КноРус, 2019. — 360 c.
- Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. — М.: Интеграл-Пресс, 2003. — 728 с.
- Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: учебник / под ред. М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: Ленанд, 2018. — 600 c.
Примечание
- ↑ Большая советская энциклопедия / Глав. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Советская энциклопедия, 1969–1978. — 631 с.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Углерод, Carboneum, С (6). Химический факультет МГУ. Дата обращения: 3 ноября 2023.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Химия углерода // Skysmart. — 2022. — 5 марта.
- ↑ Углерод. Фоксфорд. Дата обращения: 6 ноября 0202.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Углерод (C). Просто о сложном. Химия - это просто. Дата обращения: 5 ноября 2023.
- ↑ Особенности строения атома углерода. Фоксфорд. Дата обращения: 5 ноября 2023.
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 Углерод: его применение и значение в науке и технике. Химия это интересно. Дата обращения: 5 ноября 2023.
- ↑ 8,0 8,1 Кулакова И. И. Карбин – третья аллотропная модификация углерода: открытие и свойства // Первое сентября : газета. — 2007. — № 13.
- ↑ 9,0 9,1 Потехин В. Графен, его производство, свойства и применение. Вторая индустриализация страны (15 января 2017). Дата обращения: 5 ноября 2023.
- ↑ 10,0 10,1 Характерные химические свойства оксидов: основных, амфотерных, кислотных.. Наука для тебя - Образовательный портал по Химии.. Дата обращения: 15 ноября 2023.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!