главная > справочник > химическая энциклопедия: Углерод

Углерод (Carboneum) C, хим. элемент IV гр. периодич. системы, ат. н. 6, ат.м. 12.011. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов - 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). Сечение захвата тепловых нейтронов 3,5•10 -31 м 2 . В атмосфере присутствует радиоактивный нуклид 14 C. Он постоянно образуется в ниж. слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космич. излучения на ядра азота по реакции: 14 N ( n , р) 14 C. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома углерод 2 s 2 2 p 2 ; степени окисления +4, - 4, редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C 2 N 2 , галогенцианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергий ионизации при последоват. переходе от С° к C 4+ соотв. 11,26040, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,5; атомный радиус 0,077 нм, ионный радиус C 4+ (в скобках даны координац. числа) 0,029 нм (4), 0,030 нм (6).

Содержание углерода в земной коре 0,48% по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Осн. масса углерода встречается в виде карбонатов природных (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), газы природные горючие (до 99% CH 4 ), торф (53-62% С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере углерод находится в виде углерода диоксида CO 2 , в воздухе 0,046% CO 2 по массе, в водах рек, морей и океанов в

60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (

18%). Кругооборот углерода в природе включает биол. цикл, выделение CO 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива. из вулканич. газов, горячих минер. источников, из поверхностных слоев океанич. вод и др. Биол. цикл состоит в том, что углерод в виде CO 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 растит, материалов - в почву и в виде CO 2 - в атмосферу

В парообразном состоянии и в виде соед. 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 углерода между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существование огромного числа углеродсодержащих соед., изучаемых органической химией.

Свойства. Основные и хорошо изученные кристаллич. модификации углерода - алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и др. формы метастабильны. При атм. давлении и температуре выше 1200 К алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 К превращение совершается за секунды; D H ° перехода -1,898 кДж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3780 К. Жидкий углерод существует только при определенном внеш. давлении. Тройные точки: графит - жидкость - пар T =4130 К, р= 12 МПа; графит - жидкость - алмаз T =4100, p =12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 К и давлении 11-12 ГПа.

При давлениях выше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации углерода III (плотность на 15-20% выше плотности алмаза., имеющей металлич. проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 К) из высокоориентир. графита образуется гексагон. модификация углерод с кристаллич. решеткой типа вюрцита -лонсдейлит (а = 0,252 HM, с =0,412 нм, пространств. группа Р6 3 /ттс), плотн. 3,51 г/см 3 , т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул наз. к а р б и н. Цепи имеют либо полииновое строение , либо поликумуленовое . Известно неск. форм карбина. отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68-3,30 г/см 3 ). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно - окислит, дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl 4 в низкотемпературной плазме.

В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура мелкокристаллич. (всегда содержит примеси) графита. Это кокс (см. Кокс каменноугольный, Кокс нефтяной, Кокс пековый), бурые и каменные угли. сажа (см. Технический углерод), активный уголь. углерод известен также в виде кластерных частиц C 60 и C 70 (фуллерены).