.
глерод (лат. Carboneum), С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12
С (98,892 %) и 13
С (1,108 %).
Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применяться 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. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А.Лавуазье
(1772) по изучения горения алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта
(1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 А.Лавуазье.
Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo — уголь.
Распространение 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). Углерода накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18 % углерода, в древесине 50 %, в каменном угле 80 %, в нефти 85 %, антраците 96 %. Значит 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.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти ископаемые — основные источники энергии.
Углерод широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физические и химические свойства:
Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн
/м2
, или 1кгс
/см2
) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а=
3,560Á. 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 давлении выше 10,5 Мн
/м2
(1051 кгс
/см2
) и температурах выше 3700°С. Для твердого углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой “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 “аморфный” углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность “аморфный” углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9 - 2 г
/см3
). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.
Конфигурация внешней оболочки атома углерода 2s2
2p2
. Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки до состояния 2sp3
. Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счет sp3
-, sp2
- 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 0,77Á,ковалентные радиусы 0,77Á, 0,67Á, 0,60Á соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус С4-
2,60Á, С4+
0,20Á. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.
Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентриров. HNO3
и KCIO3
и др.). “Аморфный” углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственно соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и йодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды
синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX2
(где Х - галоген) наиболее известная хлорокись COCI2
(фосген).
При температурах выше 1000°С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды.
Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn,Cd,Cu,Pb и др.) или карбидов (CaC2
, Mo2
C, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600 - 800°С с водяным паром и углекислым газом.
Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение:
Углерод 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 пластичных масс
и др.
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 др.). Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.
Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой 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 другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О, 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 на много сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии
органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно гипотезе А. И. Опарина
, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили (СН4
)и цианистый водород (HCN),содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись
(СО2
),находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3
. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2
) - фотосинтез
- осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2
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 современных научно - технических проблем.
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 углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н
14
СО
3
растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции 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.
Другие работы по теме:
Понятие живого вещества
Живое вещество В элементном составе живого вещества преобладают 4 элемента: водород, углерод, кислород, азот. Они являются главными элементами живого вещества. Эти элементы - биофильные. Кроме того, наиболее распространены элементы, находящиеся в начале периодической системы элементов Менделеева, а элементы середины и конца таблицы распространены мало.
Цикл углерода
Цикл углерода, круговорот углерода, – циклическое перемещение углерода между миром живых существ и неорганическим миром атмосферы, морей, пресных вод, почвы и скал.
Типы химических связей
Электростатическая связь: виды взаимодействий. Свойства ковалентных связей (длина, полярность и энергия). Средняя величина дипольных моментов связей и функциональных групп. Строение метана. Строение молекул с n, o-атомами с неподеленной парой электронов.
Алмаз-графит
Алмаз. При слове “алмаз” сразу же вспоминаются окутанные завести тайны истории,повествующие о поисках сокровищ.Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметов их страсти является кристаллический углерод-тот самый углерод, который образует сажу, копоть и уголь.Впервые это доказал Лавуазье.Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину.Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при темпратуре около 700 С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь.
Алканы
Алканы - это предельные углеводороды, в молекулах которых все атомы связаны одинарными связями. Формула - Физические свойства Температуры плавления и кипения увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи
Углерод, его химическое и биологическое значение
Углерод. Биологическое значение. Все без исключения живые организмы построены из соединений углерода. Особенностью атома углерода является их способность соединяться между собой, образуя сколь угодно длинные цепи, которые могут быть и разветвленными, содержащими миллионы и миллиарды атомов углерода, соединенных с атомами других элементов (самые из известных молекул – это молекулы белков, содержащих до миллиарда углеродных звеньев).
Миграция химических элементов
Реферат по геохимии «Миграция элементов» Выполнила: Першикова Ольга Содержание Введение 1.Миграция элементов в атмосфере 2. Углерод Заключение Введение
Круговорот углерода в природе
Круговорот углерода в природе. Основным резервуаром углерода являются горные породы; в них, по существующим оценкам, его содержится примерно 75 квадриллионов тонн. Еще 5 триллионов тонн содержится в горючих полезных ископаемых — угле, нефти, газе и торфе. Примерно 150 млрд. т приходится на верхний слой донных океанических осадков.
Углерод. Аллотропные модификации
Углерод: положение в таблице Менделеева, нахождение в природе, свободный углерод. Атомы углерода в графите. Фуллерены как класс химических соединений, молекулы которых состоят из углерода. Первый способ получения твердого кристаллического фуллерена.
Свойства и применение железа
Железо - один из самых распространенных металлов в земной коре. Свойства и использование железа. Доменная печь. Железные руды – гематит и магнетит. Выплавка чугуна из железной руды. Комплексные соединения железа.
Замена углерода
Изучение возможности существования форм жизни, которым свойственны биохимические процессы, полностью отличающиеся от возникших на Земле. Попытки замены углерода в молекулах органических веществ на другие атомы, и воды как растворителя на другие жидкости.
Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева
периоды VIII 1,0079 Водород 4,0026 Гелий 6,939 Литий 9,0122 Бериллий 10,811 12,01115 Углерод 14,0067 Азот 15,9994 Кислород 18,9984 Фтор 20,179 Неон 22,9898
Углерод и его соединенния
Реферат по химии УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕННИЯ Ученика 10 «б» класса школы №4 Худякова Алексея г. Ангарск – 2001 год УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ. Углерод как простое вещество.
Ненасыщенные спирты Фенолы Хиноны
К ненасыщенным относятся спирты с двойной углерод-углеродной связью (1,2); с тройной углерод-углеродной связью (3); фенолы (4). Спирты с двойной углерод-углеродной связью бывают винильного (CH2=CH-OH) и аллильного типа (CH2=CH-CH2-OH; CH2=CHCH2CH2OH).
Характеристика химического элемента № 6 Углерод
Сведения об углероде, восходящие к древности и распространение его в природе. Наличие углерода в земной коре. Физические и химические свойства углерода. Получение и применение углерода и его соединений. Адсорбционная способность активированного угля.
Алмаз-графит
Алмаз. При слове “алмаз” сразу же вспоминаются окутанные завести тайны истории,повествующие о поисках сокровищ.Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметов их страсти является кристаллический углерод-тот самый углерод, который образует сажу, копоть и уголь.Впервые это доказал Лавуазье.Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину.Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при темпратуре около 700 С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь.
Основные химические производства. Производства металлов
Производство чугуна Чугун-это сплав железа с углеродом и другими примесями (кремнием, марганцем, фосфором, серой)Массовая доля углерода в чугуне превышает 1,7%.Его выплавляют в доменных печах, в неё загружают шихту-смесь сырьевых материалов, которая состоит из железной руды, топлива и флюсов.
Охлаждение стали У8
Структура тростит+мартенсит, полученная при непрерывном охлаждении стали У8. Кривая охлаждения, нанесенная на диаграмму изотермического превращения аустенита данной структуры. Интервалы температур превращений и описание характера превращения.
Серый чугун
Чугун - сплав железа с углеродом, дешевый машиностроительный материал. Основные физические и химические свойства серого чугуна. Применение в машиностроении для отливок деталей. Влияние на свойства чугуна примесей: кремния, марганца, серы и фосфора.
Барнаул
Город Барнаул - административный центр Алтайского края, в 3419 км к востоку от Москвы. Расположен на северо-востоке Приобского плато.
Круговорот биогенных элементов
Нам известно, что углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера формируют живые организмы. Однако эти организмы не смогут жить без достаточного количества многих других элементов - катионов металлов.
Применение каучука
Области и способы применения синтетического каучука изопреновой и бутадиеновой групп.
Круговорот углерода
Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота в связи с жизнедеятельностью организмов.
Новый углеродный катализатор для химических процессов
Оригинальность разработанного пористого углерод-углеродного материала состоит в использовании двух структурных модификаций графитоподобных материалов (сажи и пироуглерода), имеющих близкую кристаллографическую структуру.
Биологические активы
В современной науке существует понятие "биологически значимые элементы" - это те химические элементы, без которых невозможна полноценная жизнедеятельность организма.
Гипотезы возникновения жизни
Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе.
Биогенные элементы
Кальций Кальций - биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях растений и животных. Важный компонент минерального обмена животных и человека и минерального питания растений, кальций выполняет в организме разнообразные функции. В составе апатита, а также сульфата и карбоната кальций образует минеральный компонент костной ткани.
Строение биополимеров
Оказывается, можно провести интересную аналогию с элементами, выполняющими схожие функции у живых организмов и государств.
Ф. А. Кекуле
Немецкий химик-органик, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1887). Труды по теории строения органических соединений. Показал, что углерод четырехвалентен (1857) и его атомы могут соединяться друг с другом в цепи (1858).
Разум во вселенной
Когда речь заходит о возможных формах носителей Разума во Вселенной, оказывается, что на этот счет имеются диаметрально противоположные точки зрения: «одни (антропоморфисты), ссылаясь на закон конвергенции, утверждают, что высшие формы жизни во Вселенной должны быть близкими к тем формам которые сложились на Земле, а разумное существо должно быть, во всяком случае, человекоподобным; другие (релятивисты), исходят из бесконечного разнообразия условий во вселенной, предполагают возможность иных, не таких, как на Земле, форм жизни и разума.
Комета Хейла-Боппа
ПРИБЛИЖАЕТСЯ В солнечной системе несколько миллионов комет, но каждый год исследователи замечают лишь несколько из них: чаще - в телескоп, реже - невооруженным глазом. И уж совсем редко, раз а несколько десятков лет, на небе появляются такие экземпляры, как этот.