Углерод

Углерод (латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14C с периодом полураспада (Т = 5,6×103 лет). Небольшие количества 14C (около 2×10-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N. По удельной активности изотопа 14C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14C широко используется в качестве изотопного индикатора.

  Историческая справка. Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.

  В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum углерод получил от carbo — уголь.

  Распространение в природе. Среднее содержание углерода в земной коре 2,3×10-2% по массе (1×10-2 в ультраосновных, 1×10-2 — в основных, 2×10-2 — в средних, 3×10-2 — в кислых горных породах). Углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% углерода, древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.

  Число собственных минералов углерода — 112; исключительно велико число органических соединений углеродауглеводородов и их производных.

  С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют CO2 и угольная кислота. Огромное количество CO2 выделяется при вулканизме — в истории Земли это был основной источник углерода для биосферы.

  По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые — основной источник энергии.

  Огромное геохимическое значение имеет круговорот углерода (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ).

  Углерод широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

  Физико и химические свойства. Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а=2,462Å, c=6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2, или 1 кгс/см2) графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку: а = 3,560 Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 °С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется. Жидкий углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м2 (105 кгс/см2) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой — так называемый «аморфный» углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» углерода выше 1500—1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства «аморфного» углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность «аморфного» углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см3). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.

  Конфигурация внешней электронной оболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp3. Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счёт sp3-, sp2- и sp-гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода.

  Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемых органической химией.

  В соединениях углерод проявляет степени окисления —4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C4- 2,60Å, C4+ 0,20Å. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300—500 °С, 600—700 °С и 850—1000 °С с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO.

  CO2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 О. Дильс получил недоокись углерода C3O2. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO3 и KClO3 и др.). «Аморфный» углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании. Непосредственное соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х — галоген) наиболее известна хлорокись COCl2 (фосген). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и «аморфным» углерод реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600—1000 °С образуется в основном метан CH4, при 1500— 2000 °С — ацетилен C2H2, в продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, например этан C2H6, бензол C6H6. Взаимодействие серы с «аморфным» углеродом и графитом начинается при 700—800 °С, с алмазом при 900—1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS2. Др. соединения углерода, содержащие серу (тиоокись CS, тионедоокись C3S2, сероокись COS и тиофосген CSCl2), получают косвенным путём. При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты — соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие углерода с азотом с получением циана (CN)2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (см. Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000 °С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WO, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600— 800 °С с водяным паром и углекислым газом (см. Газификация топлив). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300—400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C8Me, C24Me, C8X (где Х — галоген, Me — металл). Известны соединения включения графита с HNO3, H2SO4, FeCl3 и др. (например, бисульфат графита C24SO4H2). Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).

  Народнохозяйственное значение углерода определяется тем, что свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластических масс и др.

  О получении и применении углерода и его соединений см. также Алмаз, Графит, Кокс, Сажа, Углеродистые огнеупоры, Углерода двуокись, Углерода окись, Карбонаты.

  Б. А. Поповкин.

  Углерод в организме. Углерод — важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные веществавитамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение жизни).

  Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и др. элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. атомами углерода создаёт возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — С, О и Н — составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определённая экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

  Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили метан (CH4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (CO2), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO-3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) углерода (в форме CO2) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CO2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения CO2 путём хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода углеводороды нефти,— одна из важных современных научно-технических проблем.

  Содержание углерода в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5—40% у водных растений и животных, 45,4—46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основном за счёт тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть углерода вновь превращается в CO2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот углерода в природе (см. Круговорот веществ). Значительная часть углерода минерализуется и образует залежи ископаемого углерода: каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основной функции — источника углерода — CO2, растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения углерода, как HCN, CO, CCl4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

  Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространён радиоактивный 14C (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе (см. Изотопные индикаторы). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации H14CO-3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

  Н. Н. Чернов.

 

  Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. — Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.

 


ПраймКемикалсГрупп