Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Вуглець



План:


Введення

Вуглець (хімічний символ - C) - хімічний елемент 4-ої групи головної підгрупи 2-го періоду періодичної системи Менделєєва, порядковий номер 6, атомна маса природної суміші ізотопів 12,0107 г / моль.


1. Історія

Вуглець у вигляді деревного вугілля застосовувався в давнину для виплавки металів. Здавна відомі алотропні модифікації вуглецю - алмаз і графіт.

На рубежі XVII-XVIII вв. виникла теорія флогістону, висунута Іоганном Бехером і Георгом Шталем. Ця теорія визнавала наявність у кожному пальному тілі особливого елементарного речовини - невагомого флюїду - флогістону, випаровується в процесі горіння. Так як при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи золи, флогістікі вважали, що вугілля - це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, "флогістірующее" дія вугілля, - його здатність відновлювати метали з "Известия" і руд. Пізніші флогістікі, Реомюр, Бергман і інші, вже почали розуміти, що вугілля є елементарне речовина. Проте вперше таким "чисте вугілля" був визнаний Антуаном Лавуазьє, що досліджували процес спалювання в повітрі і кисні вугілля та інших речовин. У книзі Гитонья де Морво, Лавуазьє, Бертолле і Фуркруа "Метод хімічної номенклатури" (1787) з'явилася назва "вуглець" (carbone) замість французького "чисте вугілля" (charbone pur). Під цією ж назвою вуглець фігурує в "Таблиці простих тіл" в "Елементарний підручник хімії" Лавуазьє.

В 1791 англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець, він пропускав пари фосфору над прожареним крейдою, в результаті чого утворювалися фосфат кальцію і вуглець. Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще в 1751 р. французький король Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли в моду. Виявилося, що згорає лише алмаз, а рубін (окис алюмінію з домішкою хрому) витримує без пошкодження тривалий нагрівання у фокусі запальною лінзи. Лавуазьє поставив новий досвід по спалюванню алмаза за допомогою великої запальною машини і прийшов до висновку, що алмаз являє собою кристалічний вуглець. Другий аллотропии вуглецю - графіт - в алхімічному періоді вважався видозміненим свинцевим блиском і називався plumbago; тільки в 1740 р. Потт виявив відсутність в графіті будь-якої домішки свинцю. Шееле досліджував графіт (1779) і, будучи флогістіком, визнав його сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить пов'язану "повітряну кислоту" (СО 2) і велику кількість флогістону.

Двадцять років по тому Гитонья де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз в графіт, а потім у вугільну кислоту.


1.1. Походження назви

Міжнародна назва походить від Carboneum лат. carbo - Вугілля. Слово це дуже давнього походження. Його порівнюють з cremare - горіти, корінь саг, cal, російське гар, гал, гол, санскритське ста означає кип'ятити, варити. Зі словом "carbo" пов'язані назви вуглецю і на інших європейських мовах (carbon, charbone та ін.) Німецьке Kohlenstoff походить від kohle - вугілля (старогерманского kolo, швед. kylla - Нагрівати). Давньоруська угораті, або угараті (обпалювати, обпалювати) має корінь гар, або гір, з можливим переходом в гол; вугілля по-древнерусські юг'ль, або уг'ль, того ж походження. Слово алмаз (Diamante) походить від др.-греч. αδαμας - Незламний, непохитний, твердий, а графіт від др.-греч. γράφω - Пишу.

На початку XIX століття старе слово вугілля в російській хімічної літературі іноді замінювалося словом "углетвор" (Шерер, 1807; Севергин, 1815); з 1824 Соловйов ввів назву вуглець.


2. Фізичні властивості

Вуглець існує в безлічі аллотропних модифікацій з дуже різноманітними фізичними властивостями. Різноманітність модифікацій обумовлено здатністю вуглецю утворювати хімічні зв'язки різного типу.

2.1. Ізотопи вуглецю

Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів - 12 С (98,93%) і 13 С (1,07%) і одного радіоактивного ізотопу 14 С (β-випромінювач, Т = 5700 років), зосередженого в атмосфері і верхньої частини земної кори. Він постійно утворюється в нижніх шарах стратосфери в результаті впливу нейтронів космічного випромінювання на ядра азоту по реакції: 14 N (n, p) 14 C, а також, з середини 1950-х років, як техногенний продукт роботи АЕС і в результаті випробування водневих бомб.

На освіту і розпаді 14 С заснований метод радіовуглецевого датування, широко застосовується в четвертинної геології і археології.


3. Алотропні модифікації вуглецю

Спрощена фазова діаграма вуглецю, заштриховані області де алотропні модифікації можуть бути метастабільних. (Diamond - алмаз, graphite - графіт, liquid - рідина, vapor - газ)
Схеми будови різних модифікацій вуглецю
a: алмаз, b: графіт, c: лонсдейліт
d: фулерен - бакібол C 60, e: фулерен C 540, f: фулерен C 70
g: аморфний вуглець, h: вуглецева нанотрубка

Електронні орбіталі атома вуглецю можуть мати різну геометрію, залежно від ступеня гібридизації його електронних орбіталей. Існує три основних геометрії атома вуглецю.

  • тетраедричних, утворюється при змішуванні одного s-і трьох p-електронів (sp 3-гібридизація). Атом вуглецю знаходиться в центрі тетраедра, пов'язаний чотирма еквівалентними σ-зв'язками з атомами вуглецю або іншими в вершинах тетраедра. Такий геометрії атома вуглецю відповідають алотропні модифікації вуглецю алмаз і лонсдейліт. Такий гібридизацією має вуглець, наприклад, в метані та інших вуглеводнях.
  • трігональная, утворюється при змішуванні однієї s-і двох p-електронних орбіталей (sp 2-гібридизація). Атом вуглецю має три рівноцінні σ-зв'язку, розташовані в одній площині під кутом 120 один до одного. Не бере участь у гібридизації p-орбіталь, розташована перпендикулярно площині σ-зв'язків, використовується для утворення π-зв'язки з іншими атомами. Така геометрія вуглецю характерна для графіту, фенолу та ін
  • дігональная, утворюється при змішуванні одного s-і одного p-електронів (sp-гібридизація). При цьому два електронних хмари витягнуті вздовж одного напрямку і мають вигляд несиметричних гантелей. Два інших р-електрона дають π-зв'язку. Вуглець з такою геометрією атома утворює особливу аллотропних модифікацій - карбин.

У 2010 році сотрудінікі університету Ноттінгема Стівен Ліддла і колеги отримали з'єднання (мономерний діліт метандій), в якому чотири зв'язку атома вуглецю знаходяться в одній площині [2]. Раніше можливість "плоского вуглецю" була передбачена Паулем фон Шлейера для речовини H 2 C L i 2 , Але воно не було синтезовано.


3.1. Графіт і алмаз

Основні і добре вивчені алотропні модифікації вуглецю - алмаз і графіт. При нормальних умовах термодинамічно стійкий тільки графіт, а алмаз та інші форми метастабільних. При атмосферному тиску і температурі вище 1200 K алмаз починає переходити на графіт, вище 2100 K перетворення відбувається за секунди. ΔН 0 Перехід - 1,898 кДж / моль. При нормальному тиску вуглець сублімується при 3780 K. Рідкий вуглець існує тільки при певному зовнішньому тиску. Потрійні точки: графіт-рідина-пар Т = 4130 K, р = 10,7 МПа. Прямий перехід графіту в алмаз відбувається при 3000 K і тиску 11-12 ГПа.

При тиску понад 60 Г Па припускають освіта дуже щільною модифікації З III ( щільність на 15-20% вище щільності алмазу), що має металеву провідність. При високому тиску і відносно низьких температурах (бл. 1 200 K) з високоорієнтивані графіту утворюється гексагональна модифікація вуглецю з кристалічною решіткою типу вюрціта - лонсдейліт (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, просторова група Р6 3 / mmc), щільність 3,51 г / см , тобто така ж, як у алмазу. Лонсдейліт знайдений також в метеоритах.


3.2. Ультрадисперсні алмази (наноалмази)

У 1980-і рр.. в СРСР було виявлено, що в умовах динамічного навантаження вуглець матеріалів можуть утворюватися алмазоподібні структури, що отримали назву ультрадисперсних алмазів (УДА). В даний час все частіше застосовується термін " наноалмази ". Розмір часток в таких матеріалах складає одиниці нанометрів. Умови утворення УДА можуть бути реалізовані при детонації вибухових речовин з значним негативним кисневим балансом, наприклад сумішей тротилу з гексогеном. Такі умови можуть бути реалізовані також при ударах небесних тіл об поверхню Землі в присутності вуглець матеріалів (органіка, торф, вугілля та ін.) Так, в зоні падіння Тунгуського метеорита в лісовій підстилці були виявлені УДА.


3.3. Карбин

Кристалічна модифікація вуглецю гексагональної сингонії з цепочечних будовою молекул називається карбин. Ланцюги мають або полиеновой будова (-C ≡ C-), або полікумуленовое (= C = C =). Відомо кілька форм карбін, що відрізняються числом атомів в елементарній комірці, розмірами осередків та щільністю (2,68-3,30 г / см ). Карбин зустрічається в природі у вигляді мінералу чаоіта (білі прожилки та вкраплення в графіті) і отриманий штучно - окисної дегідрополіконденсаціей ацетилену, дією лазерного випромінювання на графіт, з вуглеводнів або CCl 4 в низькотемпературній плазмі.

Карбин являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г / см ), володіє напівпровідниковими властивостями. Одержаний в штучних умовах з довгих ланцюжків атомів вуглецю, укладених паралельно один одному.

Карбин - лінійний полімер вуглецю. У молекулі карбін атоми вуглецю з'єднані в ланцюжки по черзі або потрійними і одинарними зв'язками (полиеновой будова), або постійно подвійними зв'язками (полікумуленовое будова). Ця речовина вперше отримано радянськими хіміками В. В. Коршак, А. М. Сладкова, В. І. Касаточкіним і Ю. П. Кудрявцевим на початку 60-х рр.. в Інституті елементоорганічних сполук Академії наук СРСР [3]. Карбин має напівпровідниковими властивостями, причому під впливом світла його провідність сильно збільшується. На цій властивості засновано перше практичне застосування - в фотоелементах.


3.4. Фулерени і вуглецеві нанотрубки

Карбон відомий також у вигляді кластерних часток З 60, С 70, C 80, C 90, C 100 і подібних ( фулерени), а також графеном, нанотрубок і складних структур - астраленов.


3.5. Аморфний вуглець

В основі будови аморфного вуглецю лежить разупорядочения структура монокристалічного (завжди містить домішки) графіту. Це кокс, бурі і кам'яне вугілля, техвуглець, сажа, активне вугілля.

3.6. Графен

Графен (англ. graphene) - двовимірна аллотропная модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю завтовшки в один атом, з'єднаних у вигляді sp зв'язків в гексагональну двовимірну кристалічну решітку.

4. Знаходження в природі

Зміст вуглецю в земній корі 0,1% за масою. Вільний вуглець знаходиться в природі у вигляді алмазу і графіту. Основна маса вуглецю у вигляді природних карбонатів ( вапняки і доломіт), горючих копалин - антрацит (94-97% С), буре вугілля (64-80% С), кам'яне вугілля (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 СО 2, в воздухе 0,046 % СО 2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %).
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 СО 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО 2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу : с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов - в почву и в виде СО 2 - 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 твердый углерод (≈25%), так и значительные количества оксида кремния (≈35%).


5. Хімічні властивості

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких 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 300-500 C, 600-700 C и 850-1000 C.

Степени окисления +4 (напр., CO 2), −4 (напр., CH 4), редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C 2 N 2); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С 0 к С 4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.


5.1. Неорганічні сполуки

Углерод реагирует со многими элементами. Соединения с неметаллами имеют свои собственные названия - метан, тетрафторметан.

Продукты горения углерода в кислороде являются CO и CO 2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С 3 О 2 (температура плавления −111 C, температура кипения 7 C) и некоторые другие оксиды (например C 12 O 9, C 5 O 2, C 12 O 12). Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 C, с фтором при 900 C.

Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту - H 2 CO 3, которая образует соли - карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы - мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н 2 и N 2 получают синильную кислоту :

~\mathrm{NH_3+CH_4 \ \xrightarrow{Pt} \ HCN+3H_2}

При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS 2, известны также CS и C 3 S 2. С большинством металлов, бором и кремнием углерод образует карбиды, например:

Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:

~\mathrm{C+H_2O \longrightarrow CO+H_2} (см. газификация твердых топлив).

При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.


5.2. Органические соединения

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 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%.


6. Застосування

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, завдяки винятковій твердості, незамінний абразивний матеріал. Алмазним напиленням володіють шліфувальні насадки бормашин. Крім цього, ограновані алмази - діаманти використовуються як дорогоцінного каміння в ювелірних прикрасах. Завдяки рідкості, високим декоративним якостям і збігом історичних обставин, діамант незмінно є найдорожчим дорогоцінним каменем. Виключно висока теплопровідність алмазу (до 2000 Вт / м К) робить його перспективним матеріалом для напівпровідникової техніки в якості підкладок для процесорів. Але відносно висока ціна (близько 50 доларів / грам) і складність обробки алмазу обмежують його застосування в цій області.

У фармакології і медицині широко використовуються різні сполуки вуглецю - похідні вугільної кислоти і карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та інші сполуки. Так, карболен (активоване вугілля), застосовується для абсорбції та виведення з організму різних токсинів; графіт (у вигляді мазей) - для лікування шкірних захворювань; радіоактивні ізотопи вуглецю - для наукових досліджень ( радіовуглецевий аналіз).

Вуглець відіграє величезну роль у житті людини. Його застосування настільки ж різноманітні, як сам цей багатоликий елемент. Зокрема вуглець є невід'ємною складовою стали (до 2,14% мас.) І чавуну (більше 2,14% мас.)

Вуглець є основою всіх органічних речовин. Будь-який живий організм складається значною мірою з вуглецю. Вуглець - основа життя. Джерелом вуглецю для живих організмів зазвичай є СО 2 з атмосфери або води. У результаті фотосинтезу він потрапляє в біологічні харчові ланцюги, в яких живі істоти поїдають один одного або останки один одного і тим самим здобувають вуглець для будівництва власного тіла. Біологічний цикл вуглецю закінчується або окисненням і поверненням в атмосферу, або захороненням у вигляді вугілля або нафти.

Вуглець у вигляді викопного палива: вугілля і вуглеводнів ( нафта, природний газ) - один з найважливіших джерел енергії для людства.


7. Токсична дія

Вуглець входить до складу атмосферних аерозолів, в результаті чого може змінюватися регіональний клімат, зменшуватися кількість сонячних днів. Вуглець надходить у навколишнє середовище у вигляді сажі у складі вихлопних газів автотранспорту, при спалюванні вугілля на ТЕС, при відкритих розробках вугілля, підземної його газифікації, отриманні вугільних концентратів та ін Концентрація вуглецю над джерелами горіння 100-400 мкг / м , великими містами 2,4-15,9 мкг / м , сільськими районами 0,5 - 0, 8 мкг / м . З газоаерозольних викидів АЕС в атмосферу надходить (6-15) 10 9 Бк / добу 14 з 2.

Високий вміст вуглецю в атмосферних аерозолях веде до підвищення захворюваності населення, особливо верхніх дихальних шляхів і легких. Професійні захворювання - в основному антракоз і пилової бронхіт. У повітрі робочої зони ГДК, мг / м : алмаз 8,0, антрацит і кокс 6,0, кам'яне вугілля 10,0, технічний вуглець і вуглецева пил 4,0; в атмосферному повітрі максимальна разова 0,15, середньодобова 0,05 мг / м .

Токсична дія 14 С, що увійшов до складу молекул білків (особливо в ДНК і РНК), визначається його радіаційним взаємодією з β-частками (14 С (β) → 14 N), що призводить до зміни хімічного складу молекули. Допустима концентрація 14 С в повітрі робочої зони ДК А 1,3 Бк / л, в атмосферному повітрі ДК Б 4,4 Бк / л, у воді 3,0 10 4 Бк / л, гранично допустиме надходження через органи дихання 3,2 10 8 Бк / рік.


Примітки

  1. Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) Хімічна енциклопедія: у 5 т - Москва: Радянська енциклопедія, 1988. - Т. 1. - С. 607. - 623 с. - 100000 прим .
  2. А. Борисова Хіміки сплющило вуглець - www.gazeta.ru/science/2010/07/30_a_3402872.shtml. Gazeta.ru (30.07.2010). - Містить опис деяких особливостей хіральності. архіві - www.webcitation.org/617uhOjpH з першоджерела 22 серпня 2011.
  3. VI Kasatochkin, AM Sladkov, et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 177, No. 2, 358 (1967)

Література

  1. Бухаркін Т. В. Хімія природних енергоносіїв і вуглецевих матеріалів / Т.В. Бухаркін, Н.Г. Дігуров - М .: РХТУ ім. Д.І. Менделєєва, 1999. - 195 с. - ISBN 5-7237-0139-8.
  2. Ола Д. А. Хімія гіперкоордінірованного вуглецю = Hupercarbon chemistry / Ола Дж., Пракаш г.к.с., Вільямс Р.Е. та ін Переклад з англ. В.І. Мінкін - М .: Світ, 1990. - 336 с. - ISBN 5-03-001451-9.
  3. Kirk - Othmer encyclopedia, 3 ed., Vol.4, N.-Y., 1978, p.556-709.
  4. В.І. Саранчук, В. В. Ошовській, Г. О. Власов. Хімія и Фізика горючих копалин. - Донецьк: Східний видавничий дім, 2003. ? 204 с.
  5. Сладков А. М., Кудрявцев Ю. П. Алмаз, графіт, карбін - алотропні форми вуглецю / / Природа. 1969. № 5. С.37-44.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Вуглець-12
Вуглець-13
Вуглець-14
Технічний вуглець
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru