Углерод и его основные неорганические соединения
Свойства и применение углерода
Углерод элемент. Свойства углерода. Применение углерода
Углерод является одним из первых химических элементов, который известен человеку. В виде древесного угля он применялся в древности для выплавки металлов. И то, и другое случилось очень давно, еще до возникновения письма. Идентификация углерода как химического элемента тесно связана с развитием представлений о химической природе горения. Более поздние флогистики, Реомюр, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь является элементарным веществом. В году английский химик Теннант первым получил свободный углерод: То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в году император Священной Римской империи Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин окись алюминия с примесью хрома выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришел к выводу, что алмаз является, на самом деле, кристаллическим углеродом. Второй аллотроп углерода, графит, в эпоху расцвета алхимии не отличали от молибденита, галенита и его называли плюмбаго plumbago или черным свинцом, однако анализ Карла Вильгельма Шееле доказал, что это разные минералы. Двадцать лет спустя Гитоном где Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит , а затем в угольную кислоту. Углерод в природе встречается как в свободном состоянии, так и в виде различных соединений. Накопление углерода в основном происходит в верхней части земной коры, где его присутствие связано в основном с живым веществом, природными карбонатами доломитами и известняками , топливными ископаемыми: Известно более минералов углерода, среди которых самые распространенные карбонаты кальция, магния и железа. Он входит в состав каменного угля, нефти и природного газа, а также различных минералов: В организм человека углерод поступает с пищей в норме около г в сутки. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом углекислый газ и мочой мочевина. Круговорот углерода в природе включает биологический цикл, выделение углекислого газа в атмосферу из вулканических газов, при сгорании ископаемого топлива, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод, а также при дыхании, брожении, гниении. В газообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах. На Солнце углерод занимает четвёртое место по распространенности после водорода, гелия и кислорода. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате бомбардировки нейтронами ядер азота , а также, с середины х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб. На основе распада 14 С основан метод радиоуглеродного датирования , который широко применяется в археологии и палеонтологии. Образование атома углерода требует почти одновременного столкновения трех альфа-частиц, то есть ядер атома гелия. Такой процесс, известный как тройной альфа-процесс, может происходить только в недрах звезд-гигантов или сверхгигантов [1] с большой плотностью и высокой температурой около тыс. Чтобы попасть на Землю, углерод сначала должен оставить материнскую звезду, где он образовался например, в результате взрыва сверхновой и попасть в межзвездное пространство [2]. Звездные системы третьего поколения, к которым относится Солнечная система, образовались из межзвездной среды, которая была обогащена элементами тяжелее гелия. Алмаз — самое твердое вещество среди всех известных, даже прочнее обсидиана. Благодаря своей чрезвычайной твердости он широко применяется при бурении твердых горных пород, обработке твердых металлов, производстве абразивов и т. Для отшлифованных алмазов, бриллиантов, характерна особая игра света, обусловленная сильным преломлением на гранях. Бриллианты используются как драгоценные украшения. В алмазе каждый атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя другими атомами. В результате образуется гранецентрированная кубическая структура из двух подрешеток, получившей название структуры алмаза. Такая структура характерна и для других элементов 14 подгруппы периодической таблицы: Крупнейшие месторождения алмазов расположены в Южной Африке и в Якутии. В последние годы алмаз начали получать искусственно при очень высоких давлениях и высокой температуре. В отличие от алмаза, графит хорошо проводит электрический ток и тепло и очень мягкий. Искусственный графит отличается высокой чистотой и мягкостью. По своим качествам он лучше природного. Графит широко применяется для изготовления электродов, в смеси с глиной для производства огнеупорных тиглей. Из графита делают обычные карандаши. В смеси с минеральными маслами его используют в качестве смазки для машин, работающих при повышенных температурах. Большая разница в физических свойствах алмаза и графита обусловлена разным кристаллическим строением. В кристаллах алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя другими атомами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. В кристаллах графита атомы углерода расположены в углах правильных шестиугольников в одной плоскости и образуют отдельные слои. Расстояние между отдельными слоями больше, чем между атомами в том же слое. В результате связь между отдельными слоями значительно слабее, чем между атомами того же слоя. Поэтому кристаллы графита легко расщепляются на отдельные чешуйки, которые сами по себе достаточно крепкие. Без опоры графен имеет тенденцию сворачиваться, но может быть устойчивым на подложке. Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепным строением молекул называется карбин. Кристаллическая структура карбина характеризуется наличием длинных цепочек из атомов углерода, расположенных параллельно. Это вещество впервые было получено советскими химиками В. Кудрявцевым в начале х годов в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Как в графите, каждый атом углерода на поверхности соединен с тремя другими. В отличие от графита, атомы образуют не только шести-, но и пятиугольники. Внутренняя часть молекулы пуста, что дает широкие возможности для получения на основе фуллерена соединений включения. Нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами, в частности, высокой прочностью на разрыв, адсорбционной способностью. Они активно исследуются и имеют большие перспективы для использования. Углеродные нанотрубки обнаружены в природе шунгит , их также искусственно выращивают в лабораториях. В основе строения аморфного углерода лежит неупорядоченная структура монокристаллического всегда содержит примеси графита. В такой видоизменению он существует в виде сажи, кокса, древесного угля и др. В природе это аллотропная форма не встречается. Ее получают искусственно из разных соединений, содержащих углерод. Аморфный углерод, или просто аморфный уголь, на самом деле является кристаллическим, но его кристаллики так малы, что их не видно даже в микроскоп. Важнейшими техническими сортами аморфного углерода является сажа и древесный уголь. В промышленности сажу получают в основном термическим разложением метана, а также при сжигании различных органических веществ при недостаточном доступе воздуха. Сажу широко применяют в качестве наполнителя в производстве резины с каучука, а также для изготовления печатных красок, туши и т. Древесный уголь добывают нагреванием дерева без доступа воздуха в специальных печах. Его применяют в металлургии для получения высоких сортов чугуна и стали, в кузнечном деле, для изготовления черного пороха и как адсорбент. Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно, считается, что в отсутствии примесей он тверже алмаза. Решётки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для алмаза — трёхслойная типа …АВСАВС… , где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров. Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ со значительным отрицательным кислородным балансом, например, смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов органика, торф, уголь и др. Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА. Углерод существует во многих аллотропных модификациях с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Различные аллотропные формы углерода имеют разные физические свойства. Алмаз является широкозонным полупроводником , практически изолятором. Соответственно, он имеет низкую теплопроводность. Благодаря широкой запрещенной зоне, алмаз не поглощает видимый свет, незначительное поглощение обусловлено наличием примесей. В отличие от алмаза, графит является неплохим проводником электрического тока и тепла. Для него также характерен металлический блеск. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше K алмаз начинает переходить в графит, выше K превращение происходит за секунды. При нормальном давлении углерод сублимируется при K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Прямой переход графита в алмаз происходит при K и давлении ГПа. Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода:. В году сотрудники университета Ноттингема Стивен Лидл и коллеги получили соединение, в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность различных форм углерода уменьшается в ряду: Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами позволяет строить углеродные скелеты различных типов линейные, разветвленные, циклические ; именно этими свойствами и объясняется исключительная роль углерода в строении органических соединений и, в частности, всех живых организмов. Атомы углерода образуют прочные ковалентные связи с другими атомами углерода. Благодаря этому они могут формировать цепочки и циклические структуры, обеспечивая большое разнообразие химических соединений. Соединения углерода разделяют на неорганические и органические. Название органическое соединение сложилась исторически. Так называли химические соединения, встречающиеся только в живой природе. Считалось, что они принципиально отличаются от неорганических соединений. Однако, развитие химии и синтез органических соединений из неорганических составляющих доказали, что принципиального отличия органических соединений от неорганических нет. Некоторые простые соединения углерода можно отнести как к органическим, так и к неорганическим. Углерод образует несколько различных оксидов, то есть соединений с кислородом. Диоксид углерода углекислый газ является стабильным оксидом. Монооксид углерода, известный как угарный газ , образуется при неполном сгорании из-за недостатка кислорода. Он химически активен и ядовит. Углекислый газ, растворяясь в воде, реагирует с ней, образуя слабую угольную кислоту, соли которой называют карбонатами. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. С азотом углерод образует тройную связь, оставляя свободным один электрон. Если этот электрон связывается с атомом водорода, возникает синильная кислота HCN:. Соединения углерода с металлами и некоторыми неметаллами называются карбидами, например, карбид кальция, карбид кремния:. Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. Атом углерода образует с четырьмя атомами водорода соединение метан с химической формулой CH 4. Метан является простым соединением в ряде углеводородов. Химическая активность различных аллотропных видоизменений углерода разная. Алмаз и графит почти не вступают в химические реакции. Они могут реагировать только с чистым кислородом и только при высокой температуре. Аморфный углерод, а также уголь, при обычной температуре довольно инертны, но при сильном нагревании их активность резко возрастает и углерод непосредственно соединяется со многими элементами. Так, при нагревании на воздухе уголь горит, образуя диоксид углерода:. При недостаточном доступе кислорода воздуха он частично сгорает до монооксида углерода CO, в котором углерод двухвалентный:. Оно отнимает кислород от оксидов многих металлов. Древесный уголь обладает способностью адсорбировать поглощать на своей поверхности различные газы и некоторые вещества из растворов. Адсорбция происходит поверхностью угля, поэтому он способнен поглощать адсорбировать тем большее количество веществ, чем больше его суммарная поверхность, то есть чем больше он измельчен или пористый. Пористость, а вместе с тем и адсорбционная способность древесного угля, резко увеличивается при предварительном нагреве в струе водяного пара. При этом поры угля очищаются от смолистых веществ, и его внутренняя поверхность резко увеличивается. Такой уголь называется активированным. Активированный древесный уголь широко используется в сахарном производстве для очистки сахарного сиропа от примесей, оказывающих ему желтой окраски, в спиртовом производстве - для очистки винного спирта от сивушных масел, в некоторых производствах - для улавливания паров ценных летучих веществ: В Первую мировую войну активированный уголь по предложению академика М. Зелинского был применен в противогазах для защиты органов дыхания от отравляющих газов, в частности от хлора , который немцы впервые применили в году. Активированный уголь как адсорбент применяется и в современных противогазах. Графит используется в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Его высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды. Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазное напыление имеют шлифовальные насадки бормашин. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Углерод в виде ископаемого топлива: Соединения углерода являются основой всех растительных и животных организмов. Углерод осуществляет в природе постоянный круговорот, называемый углеродным циклом. В составе углекислого газа углерод присутствует в атмосфере Земли, а также в растворенном виде в воде. Живые организмы усваивают его из атмосферы или воды благодаря процессу, который называется фиксацией углерода. Другие организмы, неспособные усваивать углерод непосредственно, получают его через пищевые цепочки. Углерод частично возвращается в атмосферу в виде углекислого газа как продукт дыхания или горения, однако часть углерода идет на образование метана и карбонатов, например карбоната кальция. Остатки погибших организмов преобразуются в конце концов в осадочные породы, каменный уголь, нефть, природный газ. An Introduction to Modern Stellar Astrophysics. Addison Wesley, San Francisco. Dust in the Galactic Environment. Nauk SSSR, , No. Химические элементы Неметаллы Углерод. Персональные инструменты Создать учётную запись Представиться системе. Пространства имён Статья Обсуждение. Просмотры Читать Правка История. Навигация Помочь Циклопедии Сообщить об ошибке Форум FAQ Формат статей Качественные статьи Случайная статья Новые страницы Свежие правки. Инструменты Ссылки сюда Связанные правки Спецстраницы Версия для печати Постоянная ссылка. Последнее изменение этой страницы: Текст страницы доступен по условиям лицензии GNU Free Documentation License. Материалы могут быть скопированы при условии указания активной ссылки на источник копирования в теле статьи на той же странице. В отдельных случаях могут действовать условия лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike , информацию об этом можно просмотреть на странице обсуждения. Политика конфиденциальности Описание Циклопедии Отказ от ответственности. Содержание 1 История 2 Происхождение названия 3 Распространение 4 Изотопы 5 Образование 6 Аллотропные модификации 6.
Сколько стоят раки в москве
Как правильно заряжать севший аккумулятор
Определить номер домашнего телефона
Финские новости на русском языке сегодня
Ажурные узоры крючком мотивы схемы
Повышенное давление болит голова что делать
Разделы строительного проекта
Как восстановить скайп если забыл почту
Каптоприл сандоз 25 мг инструкция по применению
Правила торговли разливным пивом в 2017 году
Как сделать чертеж здания
План конспект звук с
Агентство недвижимости 1
Схема устройств авр
Доспехи кота ведьмак 3 где взять