Как найти строение атома углерода

Распределение электронов по энергетическим уровням (или по электронным слоям) в атоме углерода.

C
+6

2

4

Распределение электронов по атомным орбиталям в атоме углерода.

2		↑↓		↑	↑
1		↑↓
		s		p

Валентные орбитали атома углерода выделены фиолетовым цветом.

Полная электронная конфигурация атома углерода.

₆C    1s² 2s² 2p²

Сокращённая электронная конфигурация атома углерода.

₆C    [He] 2s² 2p²

Главное (n), орбитальное (l), магнитное (m) и спиновое (s) квантовые числа валентных электронов атома углерода.

Орбиталь	Квантовое число
n	l	m	s
2s	2	0	0	+½
-½
2p	2	1	-1	+½
1	+½

План урока:

Что такое органическая химия?

Общее строение атома углерода

Степень окисления

Валентность атома углерода

Одинарные химические связи углерода

Гибридизация

Агрегатные состояния простых органических веществ

Что такое органическая химия?

Современное определение органической химии:

– это раздел химической науки, который изучает способы получения углеводородов и их производных, а также свойства, полученных веществ.

Не стоит думать, что предмет органической химии очень узкий, раз объект его исследований можно описать только 2 словами, поскольку количество углеводородов и их производных достаточно превышает все неорганические вещества вместе взятые.

История изучения органической химии

Развитие органической химии, как отдельной науки, началось недавно, но с предметом ее исследования люди были знакомы очень давно.

 

Первые вещества органической химии получались из живых организмов – растений и животных. Например, духи изготавливались из растительных масел, спирт синтезировали благодаря брожению винограда, а красные красители и вовсе из специальных червей. Поскольку получить искусственно такие вещества из неорганических материалов люди не могли, то предположили, что для их создания нужна «живая сила».

В 1827 году понятие органической химии было введено шведским ученым Й.Я. Берцелиусом.

В 1845 году немецким ученым Г. Кольбе было доказано, что органическое вещество можно добыть из неорганических соединений, и в качестве примера он показал получение уксусной кислоты из углерода, воды, серы и хлора.

В мире стал развиваться новый предмет, получивший название «химия органического синтеза».

С помощью химического анализа было показано, что при сжигании любого органического вещества, продуктами будут вода и углекислый газ, а в отдельных случаях чистая сажа или копоть, основу которых составляет уголь.

Современная задача органической химии – изучить вещества, молекулы которых образованы связями атомов углерода.

Характеристика основного элемента органической химии

Чтобы определить свойства и потенциальные возможности вступления в химические превращения какого-либо элемента, необходимо знать особенности его строения. Какие будут образовываться химические связи и каким образом их можно разорвать зависит от элемента.

Общее строение атома углерода

Углерод в ПСХЭ находится во 2 периоде главной подгруппы 4 группы с порядковым номером 6. Обозначается символом С и масса – 12 а.е.м.

Зная эти основные цифры, можно подробно разобрать схему строения углеродного атома. У него 2 составляющие: ядро,заряженное положительно и электроны, которые заряжены отрицательно и находятся в пространстве вокруг него.

Порядковый номер элемента численно равен заряду ядра и числу в нем электронов. Число нейтронов вычисляется по формуле:

А = Nп + Nн,

где А – массовое число, Nп – число протонов, Nн – число нейтронов.

Получаем, что количество нейтронов равно: Nн = А – Nп = 12-6 = 6

На рисунке 1 видно наглядно, какое строение у атома углерода.

Рисунок 1. – Строение атома углерода

Подробное электронное строение атома углерода

Ядро элемента не несет интереса в описаниях химических реакций, так как связи образуются при объединении электронных оболочек. При их связывании и перераспределении электронной плотности образуются новые молекулы.

Электронная структура

По расположению в ПСХЭ наглядно видно, что углерод имеет:

• 2 уровня, отличающихся по энергии;
• 4 штуки электронов на внешнем энергетическом уровне.

На первом энергетическом уровне в s-орбитали у всех элементов находятся 2 электрона. (см.рис.1). Второй уровень, он же и внешний для углерода, состоит из одной s и трех p орбиталей, и расположение электронов в них зависит от того, в каком состоянии находится атом.

Основное и возбужденное состояние

В основном состоянии на s и p орбиталях расположено по 2 электрона.

Если электрону, находящемуся на s-орбитали, добавить некоторое количество энергии из вне, то он может «перескочить» в пустую p-орбиталь с большей энергией.

Возбужденное состояние атома углерода представляет собой такую конфигурацию, при которой на внешнем уроне каждая его орбиталь имеет по 1 электрону.

Переход из основного состояния в возбужденное называется активацией.

На рисунке 2 схематически изображен процесс активации.

Рисунок 2. – Переход электрона с 2s-орбитали на 2p-орбиталь под действием дополнительной энергии 

Атом углерода образует связи с другими элементами и между собой благодаря объединению неспаренных электронов. Если сравним конфигурацию атома углерода в возбужденном состоянии с конфигурацией в основном, можно сделать вывод о том, что в возбужденном состоянии он способен образовать больше ковалентных связей. В этом состоянии ему нужно быстро находить в окружении себя другие элементы и химически с ними связываться, так как при отсутствии дополнительной энергетической подпитки электрон снова перейдет с p-орбитали на s.

Знание о возбужденном состоянии атома углерода позволило в дальнейшем описывать механизмы реакций, рисовать структурные формулы веществ и описывать расположение молекул в пространстве.Полученные знания в 1861 году обобщил А.М. Бутлеров.

Степень окисления

В любых соединениях степень окисления определяет, какой условный заряд имеет тот или иной элемент в молекуле, если бы все связи были ионные.

Было принято, что в органических веществах у углерода степень окисления может принимать значения от -4 до +4 (т.е может быть: -4; -3; -2; -1; 0; +1; +2; +3;+4), а остальные элементы в органической химии принимают степень окисления только постоянного значения. Эти значения представлены в таблице 1.

Таблица 1. – Постоянные степени окисления элементов

Пример:

Молекула спирта имеет формулу СH₃-CН₂-ОН, найдите значения степеней окисления атомов углерода в ней.

Решение:

Разбиваем молекулу по связям С-С на участки. Получаем частицы СН₃– и –СН₂OH.

Рассмотрим сначала первую частицу. Общая степень окисления водородов равна: 3*(+1) = +3, а значит, у С степень окисления будет равняться -3.

Рассмотрим вторую частицу. Степень окисления вычисляется по формуле, как сумма ее значения у кислорода и водородов. Получается: -2+3*(+1) = +1 и, следовательно, у С она будет равна -1.

Ответ: -3, -1.

Для тренировки постарайтесь найти степень окисления углерода в соединениях, формулы которых: СH₃CH₂CH₃, CH₂CHCOH; CH₃C(NH₂)CH₂CH₂OH.

Валентность атома углерода

Под валентностью понимают, что это то количество связей, которые образовывает химический элемент. Один из основополагающих законов органической химии гласит, что в органических соединениях у атома углерода валентность постоянна и равняется 4 (т. к. в возбужденном состоянии у него 4 неспаренных электрона)

Углеродные связи в органических веществах

В ходе протекания химической реакции органические вещества претерпевают изменения, поскольку происходит разрушение старых и образование новых связей. Глядя на молекулу, опытный химик-органик скажет, какая именно связь разрушится, под действием каких факторов и предскажет, какие продукты и какого строения получатся в конце превращения.

Одинарные химические связи углерода

При объединении 2 неспаренных электронов 2 разных элементов, образуется одинарная связь.

Рассмотрим на конкретном примере, каким образом можно изобразить на бумаге структурные формулы веществ,имеющих состав С₄H₉Cl.

Помня о том, сколько связей может образовывать атом углерода, рисуем углеродный скелет органической молекулы (см. рис.3 а). Связи между атомами углерода ковалентные неполярные, т.к. образованы элементами с одинаковой электроотрицательностью.

Затем добавим к этому углеродному скелету атомы водорода и хлора (см. рис 3 б). Образовавшиеся связи хлор-углерод и углерод-водород – ковалентные полярные, т.к. образованы элементами с разной электроотрицательностью.Кроме изображенной на рисунке структурной формулы, для вещества состава С₄H₉Cl можно записать и некоторые другие (см. рис. 3 в). Ковалентные связи, образуемые атомом углерода, позволяют создать огромное количество соединений, у которых физические и химические свойства будут уникальны.

Рисунок 3. – Этапы построения органической молекулы

Формулу органического соединения, представленного на рисунке 3 б, можно записать проще, не изображая столько разветвлений.

Кратные связи углерода

В некоторых молекулах атомы углерода могут образовывать двойные и даже тройные связи. Это такой тип связей, на которые стоит обращать внимание, изучая строение веществ, потому что их наличие в молекуле придает соединению определенные свойства. Например, соединения с чередующимися кратными и одинарными связями могут проводить электрический ток.

Помимо кратных связей между собой, атом углерода образует двойные связи и с другими элементами (N, P, O, S). На схеме ниже представлен пример органической молекулы, которая содержит связи разных типов.

Разнообразие органических молекул

Молекулы органических соединений являются «кирпичиками» в построении живой материи и различных веществ. На свойства таких веществ влияет количество атомов в молекуле и их расположение друг относительно друга в пространстве. По строению органических молекул определяют их реакционные способности, цвет и токсичность.

Знание строения материалов позволило выбирать самые качественные для использования в постройке домов, автомобилей, ракет и многих других конструкций.

Одна из задач химиков-органиков получить материалы с определенным порядком расположения молекул.

Форма, объем, а также расположение молекулы в пространстве, зависят от того, в каких направлениях в ней связаны атомы. Это может быть объемная структура, расположение в одной плоскости или линяя.

Если бы мы рассмотрели расположение орбиталей в возбужденном состоянии атома углерода, и присоединили другие элементы к его s и p орбиталям, то все получившиеся молекулы имели бы строго объемное строение, однако на практике это не так. Чтобы объяснить расположение атомов в молекуле и пространстве, было предложено понятие гибридизации.

Гибридизация

Гибридизация – объединение орбиталей атома, которые имеют разные формы (s и p). Объединенные орбитали получаются с одинаковой формой, размером и энергией (рисунок 4).

Объединяться могут не только s и p орбитали, но и d и f, однако в атоме углерода таких нет, поэтому на уроках органической химии их объединения рассматриваться не будут.

Рисунок 4. – Образование гибридных орбиталей из s и p 

Основные типы гибридизации атома углерода в молекулах

Наглядно разберемся, как можно представить объединение орбиталей.
Предположим, что у нас есть синяя краска и белая краска, и мы в палитре их объединяем, т.е. смешиваем. При «смешении» мы получили краску нового голубого цвета. Тоже самое происходит и с орбиталями в атоме, только смешиваются не цвета, а формы и энергии.

Объединение орбиталей в углероде может проходить по 3 путям:

• он может «смешать» все 4 орбитали (3 p и 1 s) и получить 4 гибридных орбитали. Тип гибридизации: sp³.
• он может «смешать» 3 орбитали (1 s и 2 p) и получить 3 гибридных орбитали. В этом случае одна P орбиталь не будет гибридной и сохранит свои геометрические формы. При соединении p-орбиталей в молекуле появляется π-связь (т.е. появляется кратность). Тип гибридизации: sp².
• он может «смешать» 2 орбитали (1 s и 1 p) и получить 2 гибридных орбитали. В этом случае остаются 2 p-орбитали, сохранившие свои формы. При их перекрывании образуются 2 π-связи. Тип гибридизации: sp.

Зная, как гибридизация влияет на взаимное расположение атомов друг относительно друга, можно изобразить схематически строение молекулы любого органического вещества.

Рассмотрим молекулу, в которой есть участки с одинарными, двойными и тройными связями, и изобразим ее в пространстве (см.рис. 5).

Рисунок 5. – Пространственное расположение молекулы, в которой есть одинарные и кратные связи.

У атомов, находящихся в sp-гибридизации, связи лежат на одной линии, в sp3-гибридизаци – по форме тетраэдра, в sp²-гибридизации – лежат на плоскости, что изображено на рис. 5.

Стоит отметить, что представленные типы гибридизаций атомов в молекулах, характерны не только органическим соединением, но многим неорганическим веществам.

Важнейшие представители органических соединений

Соединения, у которых небольшое количество атомов в молекуле, простые структурные формулы и из которых путем последовательных химических реакций можно получить все остальные химические вещества, называют фундаментальными.

Самые простые органические соединения

Вещества, состоящие только из 2 видов атомов, называются простейшими. В органической химии соединения, образованные только атомами углерода и водорода, называют простыми. На их основе можно создавать другие классы органических веществ, путем замены водорода на другие группы, называемые функциональными.

Общая классификация органических молекул

Классификация органических соединений начинается с анализа углеродного скелета молекулы. Он может быть замкнутый в «кольцо» или в виде цепочки (по-научному: циклический и ациклический).

Циклические соединения делятся на те, в которых цикл состоит только из атомов углерода (тогда такие называются карбоциклические) и на те, у которых помимо него есть еще другой элемент (тогда такие соединения называют гетероциклические).

Карбоциклические подразделяются по наличию кратных связей в цикле на ароматические (когда цикл содержит кратные связи) и алициклические (в которых кратных связей не содержится).

Ациклические делятся на соединения, которые состоят только из одинарных связей (такие соединения называются предельными) и те, которые содержат в структуре углеродного скелета кратные связи (такие соединения называют непредельными).

Углеводороды – это циклические и ациклические соединения, состоящие только из углерода и водорода. Из простых органических соединений образуются более сложные, путем замены атома водорода в углеродном скелете на функциональную группу.

Источник

Классификация углеводородов
Углеводороды можно разделить на разные группы по аналогичным признакам классификации органических соединений.По видам связей углеводороды делятся на те, в которых:

• все атомы соединены одинарными связями. Их называют алканами и насыщенными углеводородами, потому что в них содержится максимально возможное количество связей. Все остальные вещества называют непредельными.
• есть 2 атома углерода, соединенные двойной связью. Их называют алкенами.
• есть 1 тройная связь между атомами углерода. Их называют алкинами.
• есть 2 двойные связи. Их называют диенами.

Каждый класс соединений вступает в химические реакции по определенным механизмам и будет рассмотрен более подробно на последующих уроках.

Агрегатные состояния простых органических веществ

Органические вещества выпускаются в мире в промышленных масштабах. Поступающие на завод вещества, называются сырьем, а выпускаемые из него – целевым продуктом.

В зависимости от того, какое сырье использует предприятие, его доставка может осуществляться разными способами: трубопроводами или с помощью транспортировочных машин.

Основная сырьевая база для производства сложных веществ и материалов – углеводороды, которые впоследствии претерпевают химические изменения и превращаются в другие вещества, которые используют для создания более сложных продуктов, например лекарств, пластмасс, клеев, пленок и др.

Самыми востребованными веществами из углеводородов являются этен и этин (вещества, в которых содержится только 2 атома углерода, которые соединены двойной и тройной связью).

Источник

Газообразные углеводороды

Этен и этин представляют собой газообразные органические вещества и для их транспортировки используют специальные газовые трубопроводы и баллоны, где они хранятся в сжиженном виде.

Изготавливают из них полимеры, например, полиэтиленовые пакеты или реактивы для более узкого органического синтеза.

Обычно, вещества в газообразном состоянии имеют в составе молекул от 1 до 4 углеродных атомов.

Жидкие органические вещества класса углеводородов

Состав таких веществ обычно подразумевает наличие атомов в своем составе больше, чем в молекулах газообразных веществ. Из-за утяжеления молекул их подвижность падает и в них могут образовываться межмолекулярные связи.

Для их транспортировки используют бочки, трубопроводы и цистерны. В составе молекул в жидком состоянии содержится от 5 до 18 атомов углерода.

Твердые углеводороды

Если увеличивать количество углеродных атомов в структуре органической молекулы, то углеводороды будут представлять из себя твердые, но пластичные материалы. Примером такого органического вещества является воск или парафин, в состав которых входят тяжелые углеводороды.

Для их транспортировки используют грузовые машины, а складывают их в коробки или ящики.

Кратко примеры агрегатных состояний органических веществ представлены в таблице 2.

Таблица 2. – Агрегатные состояния органических веществ

Строение атома и свойства углерода

Углерод — химический элемент четвертой группы второго периода, поэтому строение его атома можно показать схемой:

Имея четыре валентных электрона близко от ядра, атом углерода проявляет неметаллические свойства, т. е. способен принимать электроны.

Вопрос. Сколько электронов может принять атом углерода до завершения внешнего уровня?

Принимая четыре электрона, атом углерода приобретает степень окисления –4:

Вопрос. Может ли атом углерода в состоянии С^–4 ещё принимать электроны? Как называются атомы, принимающие электроны (окислитель или восстановитель)?

Атом углерода в низшей степени окисления (–4) уже не может принимать электроны, но может их отдавать. Значит, атом углерода в низшей степени окисления –4 может быть только восстановителем. Поэтому метан СН₄ (простейшее водородное соединение этого элемента) легко горит:

Задание 13.1. Закончить уравнение этой реакции (при затруднении см. урок 2.1).

Как известно, атомы неметаллов могут и отдавать электроны.

Вопрос. Какое максимальное число электронов может отдать атом углерода?

Отдавая четыре валентных электрона, атом углерода переходит в состояние С⁺⁴ :

Вопросы. Может ли атом углерода в этом состоянии ещё отдавать электроны? Как называются атомы, которые в окислительно-восстановительных реакциях отдают электроны?

Схема показывает, что атом углерода в высшей степени окисления +4 не может больше отдавать электроны, но может их присоединять, т. е. он может быть только окислителем. Поэтому углекислый газ СО₂ (простейшее соединение такого атома) не горит:

Сделаем вывод: любой атом в высшей степени окисления может быть только окислителем; любой атом в низшей степени окисления может быть только восстановителем.

Разберём эти и другие свойства углерода и его соединений на конкретных примерах.

Начнём с того, что простое вещество с названием «углерод» в природе не существует! Дело в том, что атомы углерода поразному соединяются друг с другом, образуя разные простые вещества. Так, если атомы углерода образуют тетраэдрическую пространственную решетку:

то образуется самое твёрдое вещество алмаз. Из него делают драгоценные камни — бриллианты, а также режущие инструменты, например для резки стекла.

Если атомы углерода лежат в одной плоскости:

то образуется графит (от др.-греч. γράφω — пишу). Углеродные «пластинки» скользят друг относительно друга, и поэтому графит оставляет следы (графитный стержень карандаша) на бумаге. Подобную кристаллическую структуру (графита) имеют сажа, уголь, кокс. Эти вещества «пачкаются», а уголь и графит способны проводить электрический ток, что для неметаллов не характерно.

Если атомы углерода составляют линейную структуру:

то образуется карбин — он очень редко встречается в природе. Это очень прочное вещество.

Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией. Алмаз, графит, карбин — аллотропные видоизменения (модификации) углерода.

И алмаз, и графит, и карбин имеют почти одинаковые химические свойства, так как образованы одним химическим элементом. Рассмотрим эти свойства на примере графита или угля. Это чёрные блестящие вещества, способные (из-за особенностей внутреннего строения) проводить электрический ток. Поэтому графитовые и угольные стержни используют в качестве электродов в батарейках, при проведении электролиза и т. д.

Вопрос. Может ли атом углерода быть окислителем? Восстановителем? Почему?

Как было показано выше, атом углерода, как и атом почти любого неметалла, может и отдавать, и присоединять электроны, т. е. быть и окислителем, и восстановителем:

Задание 13.2. Определите, в какой из реакций атом углерода является окислителем, а в какой — восстановителем?

Чаще всего на практике используют восстановительные свойства углерода. Так, при помощи углерода (кокса) получают чистое железо (чугун) из природной руды:

Реакция с кислородом происходит при горении твёрдого топлива (угля).

Окислительные свойства углерода проявляются при взаимодействии с металлами. Так образуются карбиды.

Задание 13.3. Составьте уравнение реакции алюминия с углеродом. При затруднениях см. урок 7.3.

Карбиды металлов легко разлагаются водой и кислотами. При этом степени окисления не меняются:

Задание 13.4. Расставьте степени окисления атомов в последней схеме и убедитесь, что они не изменились.

Простые вещества, состоящие из атомов углерода, довольно инертны: они не реагируют со щелочами, растворами кислот, с водой при н. у. Только некоторые кислоты-окислители (азотная, концентрированная серная) могут окислить углерод:

При температуре 800 °C углерод реагирует с водяными парами:

В этой реакции получается газовая смесь, используемая как газообразное топливо — водяной газ.

Задание 13.5. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций (1) и (2) методом электронного баланса. Определите, какие свойства проявляет углерод в этих ОВР.

Свойства соединений углерода

Углерод образует два оксида:

• угарный газ СО;
• углекислый газ СО₂.

Задание 13.6. Назовите эти оксиды. Определите характер этих оксидов. В каком из них углерод проявляет высшую степень окисления?

Угарный газ СО — несолеобразующий оксид*, т. е. он не образует неорганических солей ни с кислотами, ни с основаниями.

* Такие оксиды называются также безразличными, или индифферентными.

Имея промежуточную степень окисления (+2), углерод может быть и окислителем, и восстановителем, но для него более характерны восстановительные свойства:

Реакция (4) происходит в доменных печах при выплавке чугуна из железных руд (см. также урок 11.2). Реакция (3) происходит, когда появляются синие огоньки на непрогоревших углях в костре, печке. Дело в том, что угарный газ образуется при контакте углекислого газа (продукт сгорания любого топлива) с горячими углями при недостатке кислорода:

При достаточном доступе воздуха (кислорода) угарный газ сгорает полностью. Но если тяга плохая (доступ кислорода затруднён), то реакция (3) не происходит и угарный газ попадает в помещение. А это смертельный яд!

Углекислый газ дыхания не поддерживает, но и не ядовит.

Вопрос. Почему СО₂ не горит в кислороде?

Имея высшую степень окисления, атом углерода углекислого газа С⁺⁴ : может быть только окислителем и с окислителем (кислородом) не реагирует. По этой же причине углекислый газ может реагировать с активными восстановителями (активными металлами, раскалённым углём:

Углекислый газ СО₂ — кислотный оксид и образует при взаимодействии с водой слабую и неустойчивую угольную кислоту, которая существует только в растворах:

Угольную кислоту пил каждый, так как это обычная газированная вода. Она слегка пощипывает язык, но совсем не обжигает, потому что это слабая кислота.

Эта двухосновная кислота образует два вида солей — карбонаты (средние соли) и гидрокарбонаты (кислые соли):

Задание 13.7. Расставьте коэффициенты в последних двух уравнениях и определите, от чего зависит состав полученной соли.

Вопрос. Как, используя эти соли, получить углекислый газ?

Угольная кислота получается при действии более сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты. Но в момент получения неустойчивая угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду. Поэтому при действии более сильной, чем угольная, кислоты на карбонат выделяется углекислый газ:

Это качественная реакция на любые карбонаты, даже в смеси: если исследуемая смесь сухая, то под действием кислоты она «зашипит» из-за выделения газа.

Углекислый газ не имеет вкуса и запаха, не поддерживает горения (тлеющая лучинка гаснет в атмосфере углекислого газа), а при пропускании через известковую воду вызывает её помутнение:

Пользуясь химическими реакциями (5) и (6), а также зная свойства углекислого газа, можно обнаружить карбонаты и гидрокарбонаты в растворах и твёрдых смесях. Для этого нужно к твёрдой смеси добавить любую кислоту: смесь зашипит, если в её состав входит соль угольной кислоты. Если эта соль находится в растворе, то после добавления кислоты в нём появляются пузырьки углекислого газа. Так можно получить «газированный напиток».

Реакцию (5) можно использовании при получении СО₂ в лаборатории.

Поскольку угольная кислота слабая, — все растворимые карбонаты подвергаются гидролизу.

Задание 13.8. Составьте уравнение реакции гидролиза карбоната калия (поташа).

В результате реакции гидролиза образуется щелочная среда, поэтому такие карбонаты как сода Na₂СО₃ и поташ К₂СО₃ используются как заменители щелочей, например при варке мыла.

Гидрокарбонаты слабо подвергаются гидролизу и, в отличие от карбонатов, легко разлагаются при нагревании:

Поэтому питьевую соду NаНСО₃ добавляют в печенье и другие мучные кондитерские изделия, которые от этого становятся более пышными и рыхлыми. Питьевую соду применяют при производстве шипучих напитков (в присутствии органических кислот образуется углекислый газ), ею заправляют огнетушители, её же используют в медицине для полосканий и ингаляций.

Строение атома и свойства кремния

Поскольку кремний и углерод находятся в одной подгруппе, то распределение валентных электронов у них одинаково:

Кремний тоже проявляет неметаллические свойства, т. е. способен и принимать, и отдавать электроны.

Задание 13.9. Определите степени окисления атома кремния. Составьте формулы его простейших соединений.

Неметаллические свойства кремния выражены слабее, чем у углерода. Это проявляется в том, что, во-первых, кремний внешне похож на металл, является полупроводником. Эти свойства кремния высокой чистоты нашли применение в электронике. Во-вторых, кислотные свойства оксида и гидроксида кремния выражены слабее, чем у углерода. Рассмотрим эти свойства.

Кремний — по распространённости в природе уступает только кислороду: каждый пятый атом в Земной коре принадлежит кремнию. Массовая доля кремния в Земной коре составляет 29,5 %. В виде простого вещества кремний не встречается в природе, но его оксид известен каждому: это обычный песок (кремнезём) SiO₂. Это — самое распространённое твёрдое вещество на нашей планете, так как на него приходится 12 % Земной коры. Этот же состав имеет кварц, кремень. Многие горные породы содержат этот оксид, т. е. являются силикатами. Таких соединений — 75 % от массы Земной коры! Поэтому название химического элемента происходит от греческого слова «кремнос», что означает «утёс, скала».

Простое вещество кремний — это серебристо-серые кристаллы с металлическим блеском. Атомы кремния расположены в этих кристаллах так же, как атомы углерода в алмазе, но связи менее прочные (длина связи больше, потому что радиус атома больше), и кремний уступает по твёрдости алмазу.

Именно кремень использовали древние люди для изготовления первых орудий труда, этот твёрдый камень позволил нашим предкам приручить огонь. До той поры, как были изобретены спички, люди высекали искру при помощи кремня. Первые образцы стекла, возраст которых около 5 тыс. лет, тоже содержат оксид кремния.

В подавляющем большинстве соединений кремний четырёхвалентен. Кремний — довольно инертное вещество, которое при нормальных условиях реагирует только с фтором. При нагревании до 400…600 °C он взаимодействует с хлором, бромом, кислородом, а также с активными металлами, образуя силициды. С водородом кремний не реагирует.

Задание 13.10. Составьте уравнения перечисленных реакций.

Силициды, так же как и карбиды, разлагаются водой и растворами кислот.

При этом образуется крайне ядовитый газ силан. Это настолько сильный восстановитель, что он самовоспламеняется на воздухе.

Задание 13.11. Составьте уравнение реакции горения силана.

В результате образуется облачко дыма, который состоит из мельчайших частичек оксида кремния. Этот оксид, в отличие от аналогичного оксида углерода, является твёрдым веществом.

Кремний, в отличие от углерода, не реагирует с водой и кислотами, но реагирует со щелочами:

В этой реакции образуется силикат натрия — соль кремниевой кислоты.

Кремний образуется при взаимодействии его оксида с магнием, алюминием или коксом:

Образующийся при этой реакции кремний обычно загрязнён силицидами. Кремний высокой чистоты, необходимый для электроники, получают восстановлением хлорида кремния водородом:

Создание и применение современных компьютеров без кремния немыслимо. Этот же неметалл необходим для создания солнечных батарей — источников электрического тока, в которых преобразуется энергия Солнца.

Кремниевая кислота и силикаты

Как уже упоминалось, минералы, основу которых составляет оксид кремния, составляют около 12 % земной коры. К ним относятся песок и кварц, горный хрусталь и полудрагоценные камни (яшма, агат и др.). Песок — это тугоплавкое вещество, при остывании расплава которого образуется кварцевое стекло. Обычное стекло образуется при сплавлении этого оксида с карбонатами кальция и натрия.

Оксид кремния относится к кислотным оксидам, поскольку кислоты не действуют на этот оксид, а со щелочами и основными оксидами он образует соли.

Задание 13.11. Составьте уравнения реакций оксида кремния с гидроксидом кальция и оксидом магния. Вспомните, где происходят эти процессы (см. урок 9).

Но с водой этот кислотный оксид не реагирует, так как соответствующий гидроксид (кислота) нерастворим в воде. Кремниевая кислота H₂SiO₃– аморфное бесцветное вещество, которое легко теряет влагу и превращается в пористый силикагель. Силикагель, как и активированный уголь, используется в качестве адсорбента*.

* Адсорбент — материал, поглощающий влагу, запахи и др. вещества.

Кремниевые кислоты образуются под действием любой кислоты на раствор силиката. При этом образуется студенистый осадок:

Эту реакцию можно считать качественной на силикаты, потому что при действии кислот на различные соли только силикаты дают осадок кислоты.

Концентрированный раствор силикатов калия и натрия называется «жидкое стекло» и применяется в качестве канцелярского клея. Этот клей под действием углекислоты воздуха застывает:

Растворимые силикаты сильно гидролизуются.

Задание 13.12. Составить уравнение реакции гидролиза силиката, определить реакцию среды.

Создавая щелочную среду и связывая ионы кальция и магния, эти силикаты облегчают процессы стирки и входят в состав некоторых моющих средств. Если растворимым стеклом пропитать текстиль или древесину, то они не возгораются. Но не всякий текстиль выдерживает такую обработку: сильно щелочная среда разрушает материал.

Если внимательно посмотреть по сторонам, то искусственно полученные силикаты окружают нас со всех сторон. Это:

• керамические изделия (вазы, чашки, сковородки с керамическим покрытием, к которому не пригорает пища),
• кирпичи, стекло, цемент и бетон, другие строительные материалы;
• изделия из фарфора и фаянса (чашки и тарелки).

Задание. Найдите у себя дома несколько предметов, которые выпускает силикатная промышленность.

Выводы

Углерод — самый распространённый химический элемент в органической, т. е. живой природе. Атомы углерода способны реагировать друг с другом, образуя углеродные цепи (как у карбина). Такие углеродные цепочки составляют основу любого органического соединения, которые и составляют основу жизни на Земле.

К неорганическим относятся только простейшие соединения углерода: угарный газ, углекислый газ и соли угольной кислоты.

Кремний играет в неживой природе такую же роль, как углерод — в живой природе. Атомы кремния придают растениям особую прочность. Без кремния ни трава, ни деревья не могли бы расти вверх, а стелились бы по земле. Минералы, основу которых составляет оксид кремния, составляют около 12 % земной коры.

Углерод
← Бор | Азот →
6 C ↓ Si 6C
Внешний вид простого вещества
прозрачный (алмаз), матово-чёрный (графит)
Свойства атома
Название, символ, номер	Углеро́д / Carboneum (С), 6
Группа, период, блок	14 (устар. 4), 2, p-элемент
Атомная масса (молярная масса)	[12,0096; 12,0116][комм 1][1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s22p2 1s22s22p2
Радиус атома	70 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	77,0 пм
Радиус иона	16 (+4e) 260 (-4e) пм
Электроотрицательность	2,55[2] (шкала Полинга)
Степени окисления	-4[3], -3, -2, -1, 0, +1[4], +2, +3[5], +4
Энергия ионизации (первый электрон)	1085,7 (11,25) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,25 (графит) г/см³
Критическая точка	4600 [6] К, 10,8[6] МПа
Молярная теплоёмкость	8,54 (графит)[7] Дж/(K·моль)
Молярный объём	5,3 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная (графит/графен), Кубическая (алмаз)
Параметры решётки	a=2,46; c=6,71 (графит); а=3,567 (алмаз)
Отношение c/a	2,73 (графит)
Температура Дебая	1860 (алмаз) K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 1,59 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-44-0
Эмиссионный спектр
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы углерода Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 11C синт. 20 мин β+ 11B 12C 98,9% стабилен – – 13C 1,1% стабилен – – 14C следовые количества 5730 лет β− 14N

Углеро́д (химический символ — C, от лат. Сarboneum) — химический элемент четырнадцатой группы второго периода (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы, IVA) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 6.

Три изотопа данного элемента встречаются в окружающем нас мире. Изотопы ¹²C и ¹³C являются стабильными, в то время как ¹⁴C радиоактивный (период полураспада данного изотопа составляет 5730 лет). Углерод был известен ещё в античном мире.

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, называемых органическими, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия.

История[править | править код]

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода: алмаз и графит.

На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Поздние флогистики (Реомюр, Бергман и другие) уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 году германский император 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 пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО₂) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путём осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту^[8].

Происхождение названия[править | править код]

В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь».

Физические свойства[править | править код]

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные химические связи разного типа.

Углерод имеет самую высокую температуру сублимации среди всех известных веществ. При атмосферном давлении он не имеет точки плавления, так как его тройная точка 10,8±0,2 МПа (106,6 ± 2,0 атм) и 4600±300 К (4330±300 °C), поэтому он возгоняется при температуре около 3900 К (3630 °C)^[10][11].

Изотопы углерода[править | править код]

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — ¹²С (98,93 %) и ¹³С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа ¹⁴С (β-излучатель, Т_½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде ¹⁴С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода[править | править код]

Кристаллический углерод[править | править код]

• Алмаз
• Графен
• Графит
• Карбин
• Лонсдейлит
• Наноалмаз
• Фуллерены
• Фуллерит
• Углеродное волокно
• Углеродные нановолокна
• Углеродные нанотрубки

Аморфный углерод[править | править код]

• Активированный уголь
• Древесный уголь
• Ископаемый уголь: антрацит и ископаемый уголь.
• Кокс каменноугольный, нефтяной и др.
• Стеклоуглерод
• Технический углерод
• Сажа
• Углеродная нанопена

На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Кластерные формы[править | править код]

• Астралены
• Диуглерод
• Углеродные наноконусы

Структура[править | править код]

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную форму в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных конфигурации атома углерода:

• тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трёх p-электронов (sp³-гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными расположенными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.
• тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.
• дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

Графит и алмаз[править | править код]

Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. Термодинамический расчёт линии равновесия графит — алмаз на фазовой р, Т-диаграмме был выполнен в 1939 году О. И. Лейпунским^[12]. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается очень быстро^[13][14][15]. ΔН₀ перехода — 1,898 кДж/моль. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11—12 ГПа. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 K.

Жидкий углерод[править | править код]

Жидкий углерод существует только при определённом внешнем давлении. Тройные точки: графит — жидкость — пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа и графит — алмаз — жидкость Т ≈ 4000 K, р ≈ 11 ГПа. Линия равновесия графит — жидкость на фазовой р, Т-диаграмме обладает положительным наклоном, переходящим по мере приближения к тройной точке графит — алмаз — жидкость в отрицательный, что связано с уникальными свойствами атомов углерода создавать углеродные молекулы, состоящие из различного количества атомов (от двух до семи). Наклон линии равновесия алмаз — жидкость, в отсутствие прямых экспериментов в области очень высоких температур (более 4000—5000 K) и давлений (более 10—20 ГПа), долгие годы считался отрицательным. Проведённые японскими исследователями прямые эксперименты^[16] и обработка полученных экспериментальных данных с учётом аномальности высокотемпературной теплоёмкости алмаза^[17][18] показали, что наклон линии равновесия алмаз — жидкость положителен, то есть алмаз плотнее жидкого углерода (в расплаве он будет тонуть, а не всплывать как лёд в воде).

В мае 2019 года в журнале Physical Review Letters опубликована работа российских учёных из Объединенного института высоких температур РАН А. М. Кондратьева и А. Д. Рахеля, в которой физики впервые в мире детально изучили и измерили свойства жидкой формы углерода. Результаты физического эксперимента позволили получить новые данные, которые были недоступны исследователям в условиях компьютерного моделирования. Тонкая пластина высокоориентированного пиролитического графита с гексагональной осью, перпендикулярной его поверхности, была зажата между двумя пластинами особого материала и нагрета при давлении от 0,3 до 2,0 ГПа. Оказалось, что температура плавления графита при этих условиях составляет 6300-6700 К, что более чем на 1000 К выше значений, предсказанных теоретически и на математических моделях. Исследователи впервые в мире точно измерили физические показатели процесса плавления углерода и свойства его жидкой фазы (удельное сопротивление, энтальпию плавления, изохорную теплоёмкость и многие другие показатели этого вещества^[19]. Они также обнаружили, что скорость звука в жидком углероде возрастает при уменьшении плотности^{[19][20][21][22]}.

Углерод III[править | править код]

При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р6₃/mmc), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)[править | править код]

В 1980-е годы в СССР было обнаружено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». 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 пр.). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Карбин[править | править код]

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (−C≡C−), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl₄ в низкотемпературной плазме.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.

Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно или тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 1960-х годов в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР^[23]. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.

Фуллерены и углеродные нанотрубки[править | править код]

Углерод известен также в виде кластерных частиц С₆₀, С₇₀, C₈₀, C₉₀, C₁₀₀ и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.

Аморфный углерод (строение)[править | править код]

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

Графен[править | править код]

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Углеродное кольцо[править | править код]

В 2019 году впервые синтезирован один экземпляр молекулы, представляющей собой кольцо из 18 атомов углерода. В нём чередуются одинарные и тройные химические связи^[24][25].

Нахождение в природе[править | править код]

Было оценено, что Земля в целом состоит из 730 ppm углерода, с содержанием 2000 ppm в ядре и 120 ppm в мантии и коре^[26]. Масса Земли составляет 5,972⋅10²⁴ kg, что предполагает наличие 4360 миллионов гигатонн углерода.

Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046 % СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~17,5 %).

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки).
Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО₂ в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоёв океанических вод, а также при дыхании, брожении, гниении. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО₂ поглощается из тропосферы растениями в процессе фотосинтеза. Затем из биосферы он вновь возвращается в геосферу, частично через организмы животных и человека, и в виде СО₂ — в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твёрдый углерод (≈25 %), так и значительные количества диоксида кремния (≈35 %).

Химические свойства[править | править код]

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—501 °C, 600—700 °C и 800—1000 °C.

Степень окисления бывает от −4 до +4. Сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С⁰ к С⁴⁺ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения[править | править код]

Углерод реагирует с неметаллами при нагревании.

Реакции с неметаллами

Реагент	Уравнение	Описание
		Продуктами горения углерода являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C12O9, C5O2, C12O12). Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).
		При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. Получен селенид углерода CSe2.
		Из углерода можно получить метан в присутствии оксидов железа, однако гораздо практичнее получать метан из синтез газа. Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C[27], образуя фреон.
		При сплавлении получается карбид кремния.
		При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту: Такой же реакцией получают циан
	Не реагирует

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения.

Реакции со сложными веществами

Уравнение	Описание
	Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром для получения синтез газа
	Горение чёрного пороха.
	С калиевой селитрой углерод проявляет восстановительные свойства.
	Восстанавливает сульфат бария
	При сплавлении углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

(метанид)

(ацетиленид)

Органические соединения[править | править код]

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры, углеводы и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.

Применение[править | править код]

Графит используют 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 невероятно 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 твёрдости — незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бурмашин. Кроме этого, огранённые алмазы — бриллианты — используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая себестоимость добычи алмазов ($97,47 за один карат^[28]) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода: производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности, углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО₂ из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Токсическое действие[править | править код]

Углерод поступает в окружающую среду в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5—0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)⋅10⁹ Бк/сутки ¹⁴СО₂.

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и лёгких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.

Токсическое действие ¹⁴С, вошедшего в состав биологических молекул (особенно в ДНК и РНК), определяется его радиационным взаимодействием с β-частицами (¹⁴С (β) → ¹⁴N), приводящим к изменению химического состава молекулы. Допустимая концентрация ¹⁴С в воздухе рабочей зоны ДК_А 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДК_Б 4,4 Бк/л, в воде 3,0⋅10⁴ Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2⋅10⁸ Бк/год.

См. также[править | править код]

• Категория:Соединения углерода
• Радиоуглеродный анализ
• Углеродный шовинизм
• Углеродная звезда
• Углеродная планета

Комментарии[править | править код]

1. ↑ Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

1. Берёзкин В. И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы. — СПб.: АРТЭГО, 2013. — 450 с. — ISBN 978-5-91014-051-0
2. Бухаркина Т. В. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов / Т. В. Бухаркина, Н. Г. Дигуров. — М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1999. — 195 с. — ISBN 5-7237-0139-8.
3. Ола Д. А. Химия гиперкоординированного углерода = Hupercarbon chemistry / Ола Дж., Пракаш Г.К.С., Уильямс Р.Е. и др. Перевод с англ. В.И. Минкина. — М.: Мир, 1990. — 336 с. — ISBN 5-03-001451-9.
4. Сладков А. М., Кудрявцев Ю. П. Алмаз, графит, карбин — аллотропные формы углерода // Природа. 1969. № 5. — С.37—44.
5. Kirk — Othmer encyclopedia, 3 ed., vol.4, N.-Y., 1978, p. 556—709.
6. Саранчук В. I., Ошовський В. В., Власов Г. О. Хімія і фізика горючих копалин. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2003. 204 с.

• Роберт Хейзен. Симфония №6 Углерод и эволюция почти всего = Robert M. Hazen. Symphony in C: Carbon and the Evolution of (Almost) Everything / Анастасия Науменко. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 410 p. — ISBN 978-5-00139-283-5.

Ссылки[править | править код]

• Углерод на Webelements
• Углерод в Популярной библиотеке химических элементов
• Информация об углероде Архивная копия от 21 января 2011 на Wayback Machine
• Углерод Алексея Сладкова  (недоступная ссылка с 21-05-2013 [3650 дней] — история, копия) — история открытия карбина
• Сладков А. М. Карбин — третья аллотропная форма углерода: Монография (под ред. Бубнова Ю. Н.)