вуглець

ВУГЛЕЦЬ (лат. Carboneum) С - химиче ський елемент IV групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 6, атомна маса 12,011. Звичайними формами існування еле мента У. у вільному стані є два простих тіла: алмаз і графіт раз Ліча по кри сталліческому ладі нию і властивостями. Без преувелі чення можна назвати У. одним з найважливіших елементів пе періодичних системи: адже його органічні сполуки служать ос новним будівельним матеріалом для створення всього живого на Землі.

Вуглець в природі. На частку У. доводиться близько 2,3. 10-2% від маси земної кори, де за змістом він займає лише 17-е місце серед інших елементів. Головні углеродсодержащие мінерали - природні карбонати; кількість У. в них оцінюється в 9,6. 1016 т. Багато У. (близько 1013 т) зосереджено в горю чих копалин (кам'яного і бурого вугіллі, нафті, торфі, горючих сланцях, природних го рючих газах), що утворюють потужні скупчення в надрах Землі. Вони є в основному про дуктами розкладання рослин, що існували на нашій планеті в давно минулі часи.

Вільний У. зустрічається в природі у вигляді алмазу і графіту. Близькі за складом до чистого У. деякі кам'яне вугілля, антрацит ти, що містять іноді до 98% С. Алмази через вичайно рідкісні. Навіть алмазоносних породи (кимберліти) містять не більше 0,00009% ал мазів. Звичайна маса кристалів алмазу 0,2- 0,4 м Великі алмази дуже дороги; і якщо такий алмаз знаходять, йому присвоюють особливу назву. Найбільший з усіх відомих досі - «Куллінан». Його знайшли в Південній Африці. Він важив 621,2 г при розмірах 10х 6,5х5 см. В Алмазному фонді СРСР зберігається один з найбільших і найкрасивіших алмазів у світі - «Орлов» (37,92 г). Найбільш значитель ні родовища алмазів знаходяться в СРСР (Якутія, Урал), Африці, Бразилії. Графіт утворює скупчення щільних луска тих мас, забруднених мінеральними примі сямі. В СРСР поклади графіту знаходяться на Україні, в Амурській області, Криму та інших місцях.

Всі живі організми, складові біологічного сферу, побудовані із з'єднань У. і в середньому містять 18% його по масі. Загальна ж кіль кість У. в них становить 1012 т. Вміст В. у різних організмах може бути дуже різним.

У вигляді вуглекислого газу С O 2 У. входить до складу атмосфери Землі. Зміст З O 2 в атмосфері одно 0,03% за обсягом, що при перерахунку на загальну масу В. дає величезне число - 6. 1011 т! У водному оболонці, що покриває велику частину земної кори, - гідросфері - розчинено в 60 разів більше З O 2, ніж його знаходиться в атмосфері.

Вуглекислий газ є основним джерелом У. для рослин. Необхідні органічні речовини (вуглеводи, білки, жири) рослини синтезують з вуглекислого газу, води і мінеральних солей за допомогою енергії сонячно го світла. Цей процес називається фотосинтезом. Тварини ж отримують В., вживаючи в їжу рослини.

Щорічно рослинний світ суші і океану забирає для своїх потреб з повітря і води 1010 т У. Однак атмосфера помітно не збіднюється У. завдяки тому, що на Землі відбувається безперервне виділення вуглекисло го газу при диханні тварин і людини, при гнитті органічних залишків, бродінні , з докинути вулканів. Велика кількість У. повертається в атмосферу внаслідок діяльності людини - роботи машин, фабрик, за водів. В результаті в природі йде постійний кругообіг вуглецю.

У. поширений не тільки на Землі, але і на інших космічних тілах. Найпростіші соеди нання У. (вуглекислий газ, метан) виявлені в атмосфері майже всіх планет сонячної систе ми, причому загальна маса У. на них більша за масу Землі. Так, за даними, отриманими з по міццю автоматичних міжпланетних станцій, атмосфера Марса складається в основному з З O 2. В атмосфері Сонця У. - 11-й у списку еле ментів. Спектроскопически присутність У. та його сполук встановлено на далеких зірках, в кометах і туманностях. Органічні речовини, графіт і навіть алмази містяться в неко торих метеоритах.

Одним словом, У. у Всесвіті достатньо, щоб створити «вуглецеву життя» не тільки в рідному нам світі!

Історична довідка. У. - один з небагатьох еле ментів, ім'я першовідкривача якого невідомо. Алмаз і графіт, не кажучи вже про вугілля, знайомі людству з найдавніших часів. Чудові властивості алмазу - його надзвичайно висока твердість і кра сота - здавна служили багатою їжею для фантастичних казок і забобонних вигадок. Свою назву ал маз отримав від арабського слова «алмас» (твердий) або від грецького «адамас» (непереможний, непохитний).

Довгий час залишалося незрозумілим, «з чого ж зі стоїть алмаз». Перший крок до з'ясування природи алмаза був зроблений в 1694 р, коли флорентійські вчені, намагаючись сплавити кілька дрібних алмазів в один круп ний, нагріли їх сонячними променями за допомогою зажи готельних скла. На свій подив, флорентійці виявили, що алмази зникли, згорівши на повітрі. За тим знаменитий французький хімік А. Лавуазьє в 1772 р показав, що при згорянні алмазу утворюється вуглекислий газ. Остаточно склад алмаза встановив в 1797 р англійський хімік С. Теннант. Він знайшов, що обсяги вуглекислого газу, що утворюється при згоранні одина кових кількостей алмазу і вугілля, рівні. Це безперечно довело хімічне тотожність обох речовин.

Графіт був відомий в давнину, але аж до 1780-х рр. його вважали різновидом інших, близьких за зовнішнім виглядом мінералів. У другій половині XVI ст. з графіту почали робити стрижні для олівців (звідси походить і назва мінералу, від грецького «графо» - пишу).

У 1778 р шведський хімік К. Шеєле знайшов, що гра фит при сильному нагріванні з розплавленої селітрою згорає, утворюючи вуглекислий газ. Так було показано тотожність хімічної природи настільки не схожих один на одного речовин - вугілля, графіту і алмазу.

Атом вуглецю. У. має два стійких ізотопи: 12С і 13С, середній вміст яких складає 98,892% і 1,108% від загального числа атомів У. на Землі. Таким чином, в природ ної суміші ізотопів В. різко, переважає більш легкий 12С, ядро ​​атома якого складається з 6 протонів і 6 нейтронів. Дуже важливий радіоактивними тивний ізотоп У. 14С, що випускає β - частини ци і має період напіврозпаду T ½ = 5570 років. Відкриття цього ізотопу мало чре звичайно важливі наслідки для розвитку археології, геології, палеонтології та історії! Недарма кажуть, що все науки связа ни між собою і залежать один від одного. З по міццю 14С вчені змогли досить точно оп чати вік углеродсодержащих порід, стоянок давньої людини, його начиння, залишків тварин і рослин, давно зниклих з лиця Землі.

Ізотоп 14С постійно утворюється у верхніх шарах атмосфери з ізотопу азоту 14 N під дією нейтронів космічного випромінювання. Його дуже мало - на кожен мільйон молекул атмосферного З O 2 припадає лише один атом 14С. Але так як інтенсивність космічного випромінювання залишається весь час постійної, то іконцент рація 14С ввоздухе не змінюється (спад ядер.14С за рахунок радіоактивного розпаду компенсується знову утворюють щимися ядрами). З повітря в результаті фотосинтезу 14 С постійно надходить в рослини, причому концентрація ізотопу 14С серед ізотопів вуглецю в усьому живому на планеті також постійна. Як тільки рослина гине, засвоєння У. з повітря припиняється і кількість 14С востатках починає зменшуватися відповідно до зако ном радіоактивного розпаду (через кожні 5570 років число атомів 14С зменшується вдвічі). Таким чином, визначивши радіоактивність неживого органічної речовини і порівнявши її з радіоактивністю такої ж кількості ор ганическое речовини живого рослини, можна рассчи тать час, протягом якого відбувався розпад 14С. Іншими словами - дізнатися вік знахідки.

Атомний номер У. дорівнює 6, тобто його атом має шість електронів, два з яких при надлежат внутрішньої, а чотири - зовнішній електронній оболонці (повна електронна конфігурація 1 s 2 2 s 2 2 p 2, зовнішньої оболонки - 2 s 2 2 p 2). Освіта іонних зв'язків для У. нехарактерно. Тільки в з'єднаннях з найбільш активними металами, легко отда ющими електрони, ступінь окислення У. може бути дорівнює -4 (наприклад, в карбіду алюмінію А14С3). З переважною большинст вом елементів В. дає міцні ковалентні зв'язки, в яких для утворення електронних пар використовуються всі 4 електрона зовн ній оболонки. Зазвичай валентність У. дорівнює IV.

Відомі також нечисленні соедине ня У., де він формально двухвалентен, на приклад окис вуглецю СО (будова молекули СО обговорено в статті Вуглецю окис). Заме чательно особливістю є здатність атомів С з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів. Кінці ланцюгів можуть замикатися. В такому випадку виникають цикли з атомів С. За словами Д. І. Мендель ва, «ні в одному з елементів такої здатності до ускладнення не розвинене в такій мірі, як у вуглеці». Це служить причиною того, що зі єднання У. різноманітні як у жодного іншого елемента. Їх вивчення - область органічної хімії. Зараз відомо близько 3 мільйонів органічних сполук (з'єднань У.) і всього лише близько 60 тисяч соеди нений всіх інших елементів.

Фізичні властивості. Різниця аллотропних форм У. - графіту і алмазу - є найяскравішим прикладом впливу кристалічно го будови твердих тіл на їх фізичні свій ства. У графіті атоми С розташовуються паралельним шарами. При цьому атоми всередині шару пов'язані між собою сильніше, ніж один шар з іншим. Графіт можна розглядає вать як скупчення плоских полімерних молі кул, що складаються з атомів С і неміцно насл енних одна на іншу. У кристалі алмаза все атоми С з'єднані між собою дуже проч зв'язками і утворюють в просторі безперервний тривимірний каркас. Весь кристал являє собою як би одну ги гігантських полімерну молекулу У., не маю щую «слабких місць», так як міцність всіх зв'язків однакова. Особливості структури визначають основні фізичні властивості алмазу і графіту.

Якщо алмаз являє собою безбарвні, прозорі, сильно заломлюють світло кри Сталл і є самим твердим з усіх знайдених в природі речовин, то графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик луската маса з металевим блиском, по твердості поступається навіть паперу.

Щільність алмазу при 20 ° С дорівнює 3,515 г / см3, графіту - 2,265 г / см3. Фізичні властивості кристала алмаза (твердість, електропровід ність, теплопровідність, коефіцієнт роз ренію та інші) практично однакові в усіх напрямках. У графіті ж ці властивості за різними напрямками - перпендикулярному або паралельному верствам атомів С - сильно розрізняються. За електричним свій ствам алмазізолятор; графіт проводить електричний струм, але не так добре, як ме талій.

Алмаз при нагріванні без доступу повітря вище 1000 ° С перетворюється на графіт. Графіт при постійному нагріванні в тих же умов не зазнає ніяких змін аж до 3700 ° С, коли він переганяється, що не плавлячи. Жид кий У. можна отримати тільки при одновремен ном дії дуже високої температури (біль ше 3700 ° С) і тиску (більше 105 атм).

У. має ще однією - третьої аллотроп ної формою, званої Карбин, що не зустрів чающие в природі. Карбин - мелкокрістал лическими порошок чорного кольору; в його кри сталліческой структурі довгі ланцюжки ато мов С (величезні лінійні молекули) Укласти ни паралельно один одному.

Раніше вважали, що деревне вугілля, сажа і кокс, близькі за складом чистому У. і відрізняються за властивостями від алмазу і графіту, є са мостійно аллотропную форму У., так званий аморфний вуглець. Зараз за допомогою рентгенівських променів встановлено, що ці речовини мають не аморфну, а кристалічну природу. Вони складаються з дуже дрібних кристалічних частинок, в яких атоми З розташовані так само, як в графіті. Однак за традицією до сих пір часто говорять про «аморфному» вуглеці. Неко торие різновиди «аморфного» В. (наприклад, древ ний вугілля) виявляють сильні адсорбційні властивості, тобто мають здатність поглинати своєї по поверхнею значні кількості різних речовин. Таке вугілля називають активним.

Хімічні властивості. При кімнатній темпі ратури У. у всіх формах хімічно інертний, проте при сильному нагріванні взаимодейст яття з багатьма елементами. Як і слід очіку дати, виходячи з будови різних форм У., найлегше вступає в реакції «аморфний» В., важче - графіт, найбільш хімічно стійкий алмаз. При нагріванні на повітрі «аморфний» В. загоряється при температурах 300-500 ° С, графіт - при 600-700 ° С, а ал маз - тільки при 850-1000 ° С. При надлишку повітря утворюється двоокис У .:

C + O 2 = CO 2

При нестачі повітря продуктом реакції є окис У .:

2 З + O 2 = 2СО

Обидві реакції сильно екзотермічни, тобто про тека із звільненням великої кількості енергії, що виділяється у вигляді тепла і світла.

Взаємодія «аморфного» У. і графіту з воднем йде дуже повільно навіть при висо ких температурах. Прискорити реакцію можна за допомогою каталізаторів, зокрема металів Ni або Pt. Цікаво, що в залежності від тих ператури виходять різні продукти. Так, при 600 - 1000 ° С в присутності каталізаторів утворюється переважно метан:

З + 2Н2 = СН4

а при більш високих температурах (1500- 2000 ° С) - ацетилен:

2 З + H 2 = С2Н2

У продуктах взаємодії У. з воднем при певних температурах і тисках можуть бути присутніми також і інші вуглеводні, наприклад етан С2Н6 і бензол С6Нв. Алмаз з воднем не реагує.

Сірка безпосередньо з'єднується з «аморфний ним» У. і графітом при 700-800 ° С, а з алма зом при 900-1000 ° С. Продукт реакції - сіро вуглець:

З + 2 S = CS 2

З азотом У. з'єднується тільки при пропущенні електричного розряду між електродами, зробленими з вугілля або графіту і знахо дящіміся в атмосфері азоту. При цьому обра зуется ціан:

2 C + N 2 = C 2 N 2

Фтор не реагує з алмазом. Взаємодія фтору з графітом починається вище 900 ° С, з «аморфним» В. - при кімнатній температурі (з утворенням CF 4 та ін). Багато ме талій з'єднуються з У. при дуже високих температурах, даючи карбіди.

У численних реакціях з хімічними сполуками У. проявляє сильні восстано вітельно властивості. Великий інтерес представ ляє його взаємодія з водяною парою і уг лекіслим газом:

З + Н2 O = СО + Н2 (вище 800 ° С)

З + З O 2 = 2СО (вище 600 ° С)

Утворені газоподібні продукти хоро шо горять, і ці реакції лежать в основі газифікації твердого палива - пере вода кам'яного або деревного вугілля в так на зване водяний і генераторний гази. За реакцією У. з водою отримують також водень, що йде на синтез аміаку. Настільки важливими для промисловості виявляються ці - прості на вигляд - хімічні реакції.

Особливо яскраво відновні властивості В. проявляються при взаємодії з оксидами металів, наприклад:

ZnO + C = Zn + CO (при 1200 ° С)

Аналогічним чином У. при високих температурах відновлює до вільних металів оксиди кадмію, міді, свинцю, сурми. А в інших випадках за реакцією У. з оксидами метал лов (наприклад, кальцію, ванадію, танталу) утворюються карбіди.

Будь-які форми У. стійкі по відношенню до лугів навіть при тривалому нагріванні. Холодні концентровані кислоти теж не діють на У., але при нагріванні вище 100 ° С концентровані H 2 SO 4 і HNO 3 мед повільно окислюють «аморфний» В. (але не графіт або алмаз). Широко відомі і такі неорганічні сполуки У., як карбонати - солі вугільної кислоти Н2С O 3 і ціаніди - солі ціанистоводневої, або синильної, киць лоти HCN.

Отримання. Більшу частину алмазів і гра фіта поки отримують переробкою природної сировини. Процес добування алмазів вимагає дуже великих зусиль - для отримання 1 г алмазів потрібно переробити в середньому 20 т алмазоносних породи. Витягнуту з надр Землі породу спочатку ретельно подрібнюють і потім промивають. При цьому щодо важки круглі камені, що містять алмази, відокремлюються від легких глинистих мінералів, що складають 98% початкового ваги породи. З важки лого залишку алмази витягають, наприклад, за допомогою спеціального жирового складу (що нагадує вазелін). Алмази прилипають до нього, а всі інші камені - немає. Для остаточного очищення алмази промивають в кисло тах і лугах.

З тих пір як було встановлено, що алмаз, графіт і вугілля мають один і той же хімічний склад, вчені неодноразово намагалися перетворити непоказний вугілля або графіт в блискучі алмази. Зробити це вдалося лише в 1955 р Зараз виробництво штучних алмазів налагоджено і в нашій країні, і за кордоном. Графіт або ін ші багаті вуглецем матеріали нагрівають до темпера тур вище 1200 ° С під тиском більше 50 тисяч атм у присутності каталізаторів (залізо, нікель, хром та інші метали). Вага штучних алмазів не більш 0,2 г; зазвичай вони сильно забарвлені домішками.

Головна проблема при отриманні чистого графіту з природних покладів полягає в відділенні графіту від інших мінералів, з якими він дуже тісно зростається. У зависи мости від виду руди і від крупності включень графіту в породі після подрібнення сировини ис користуються різні методи збагачення, наприклад флотация. А потім збагачений про дукт багаторазово обробляють концентрує ванними кислотами (соляної і фторістоводо рідної) і нагрівають його в електричній печі при температурі 2200 °. Так і отримують чис тий графіт.

На відміну від алмазів, графіт, що проводиться зараз штучно, часто перевершує природний по чистоті і однорідності. Готується штучний графіт нагріванням спресованої суміші коксу або антрациту з кам'яновугільної смолою в електричних печах при 2200-3000 ° С. Велике застосування знаходить графіт, отли чающие високою міцністю. Його отримують при висок котемпературном розкладанні (піролізі) вуглеводнів.

Промисловість виробляє також продукти, близькі за складом до чистого У. і є «аморфним» У. за будовою. Так, кокс отримують при нагріванні деяких сортів кам'яного вугілля або твердих залишків, що утворюються при переробці нафти, до високої температури без доступу повітря. Для виробництва сажі зви але спалюють природний газ при нестачі повітря. Сажа осідає на металевих листах, з яких її збирають. Нагріванням деревини без доступу повітря отримують високоякісний деревне вугілля. Виготовляють і пористий активне вугілля, що володіє підвищеною здатністю до адсорбції. Для цього деревні або копалини вугілля обробляють перегрітою водяною па ром або двоокисом вуглецю при високих температурах. При цьому з вугілля видаляються смолисті речовини і збільшується їх пористість.

! Застосування. Якщо раніше алмаз цінували насамперед як дорогоцінний камінь, то ця година - це найважливіший, часто незамінний, тих ний матеріал. Тільки найбільші і прозорі алмази використовують для прикрашений ний. Після ограновування і шліфовки вони перетворюються в діаманти. Застосування алмазів в техніці пов'язано перш за все з їх унікальною твердістю. За допомогою алмазів бурять гірські породи, ріжуть, свердлять, шліфують і гравірують скло та інші особливо тверді матеріали. Ал Мазне різці дозволяють обробляти деталі і інструменти з дуже великою точністю.

Область застосування графіту надзвичайно широка. Висока жароміцність, стійкість до хімічних впливів, хороша електро провідність роблять графіт цінним матеріалом для сучасної промисловості. З нього виготовляють ливарні форми, плавильні тиглі та інші вогнетривкі вироби. Штучним графітом і пірографітом покривають камери згоряння і сопла реактивних двигуни лей (зсередини), а також керма космічних ра кет. Багато виробництв неможливі без хімічно стійких графітових труб або ап паратов, викладених зсередини графітовими плитами. Значні кількості графіту споживає електротехнічна промисловість для виготовлення електродів, гальванічних елементів і акумуляторів, контактів елек тричних машин і нагрівачів для елек тропечей. Дуже чистий графіт застосовують в ядерних реакторах для уповільнення нейтронів. Змішаний з маслом графіт служить прекрасний ним мастильним матеріалом. Жива і найдавніша «професія» графіту - з нього роблять стрижні олівців і деякі фарби.

Кокс застосовується головним чином при ви плавці чавуну з руд в доменних печах, де він одночасно виконує роль палива та від становітеля. Близько 90% одержуваної сажі йде на потреби гумової промисловості - добав ки сажі підвищують міцність і збільшують термін служби гумових виробів. Крім того, з сажі готують деякі чорні фарби і лаки. Активний вугілля потрібне для поглинутої щення шкідливих речовин з газів і рідин: їм заповнюють протигази, з його допомогою очі щают рідини від пахучих і фарбувальних ве вин. На адсорбційних властивостях активного вугілля засноване і його застосування в медицині.

Коли говорять про хімії У., і його сполук, часто мають на увазі тільки органічну хі мию. Але не потрібно забувати, що і чистий У. і його неорганічні сполуки мають першо статечне значення для науки і народного хо дарства.

Б. А. Поповкін.