Свойства углерода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Углерод

ученика 9 «Б» класса

Раевского Георгия

11 мая 2011

Углерод (Carboneum, С) - элемент IV группы главной подгруппы II периода системы элементов Менделеева. Атомный номер 6, атомная масса 12.011. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов - ¹²C (98,892%) и ¹³C (1,108%). В верхних слоях атмосферы присутствует радиоактивный нуклид ¹⁴C.

Электронная конфигурация в основном состоянии 1s²2s²2p²; степени окисления +4, - 4, редко +2

Углерод занимает 17-е место по распространенности в земной коре - 0,048% (по другим данным 0,35 или 0,012%). Но, несмотря на такое, казалось бы, сравнительно невысокое содержание, этот элемент играет огромную роль в живой и неживой природе. Биосфера состоит из живых организмов, основанных на органических веществах, которые являются производными углерода. Из продуктов разложения органических веществ образовались каменные угли, торф, нефть, природные газы. В природе свободный углерод встречается в виде алмаза, графита и карбина, в соединениях - в виде каменного и бурого углей, нефти, горючих газов (метан). Входит в состав природных карбонатов - известняка, мрамора, мела (CaCO₃). В воздухе содержится оксид углерода (IV).

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

Углерод - особый элемент. Ни один другой химический элемент не способен образовывать такое многообразие соединений. Причина этого многообразия в том, что атомы углерода способны:

1) соединяться друг с другом в цепи различного строения - открытые (неразветвленные, разветвленные), замкнутые:

2) образовывать не только простые (одинарные), но и кратные (двойные, тройные) связи:

3) образовывать прочные связи почти с любым другим элементом.

Эти уникальные свойства углерода объясняются сочетанием двух факторов:

- наличие на внешнем энергетическом уровне (2s и 2p) четырех электронов (поэтому атом углерода не склонен ни терять, ни приобретать свободные электроны с образованием ионов);

- малый размер атома (в сравнении с другими элементами IV группы).

Вследствие этого углерод образует главным образом ковалентные, а не ионные связи, и обычно проявляет валентность, равную 4.

Основные аллотропные модификации углерода, т.е. простые вещества, в виде которых он может существовать - это алмаз, графит и карбин.

В трех этих веществах гибридные электронные орбитали углерода имеют различную геометрию:

- Тетраэдрическую, которая образуется при смешении одного s- и трех p-электронов (sp³-гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными у-связями с другими атомами углерода в вершинах тетраэдра. Такой геометрии соответствует алмаз.

- Тригональную, которая образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные у-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости у-связей, используется для образования р-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита.

- Дигональную, которая 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 р-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию - карбин.

Если исходить из природы преодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести к химическим профессиям». Действительно, гранильщику приходятся преодолевать не сравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химической связи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристалл алмаза, даже самый огромный - это по существу одна молекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенного трехмерного полимера.

Иное дело графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двух направлениях - по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вот почему так просто - даже от соприкосновения с бумагой - расслаивается графит. В то же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьма сложно - здесь противодействует химическая связь. Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах графита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз - изолятор. Графит совершенно не пропускает света - алмаз прозрачен. Какими бы способами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только СО₂. А окисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляет лишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтому возможно или полное окисление или полное не окисление - третьего не дано.

Итак, есть «пространственный» полимер элементарного углерода, есть «плоскостной». Ученые уже давно допускали существование и «одномерного» - линейного полимера углерода, но в природе он не был найден. Его синтезировали путем каталитического окисления ацетилена и назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. На этом свойстве основано практическое применение карбина - в фотоэлементах. Важно, что карбин не утрачивает фотопроводимости при температуре до 500°C; это намного больше, чем у других материалов того же назначения.

Углерод практически всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то -4. В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами - наоборот. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе - его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.

Из соединений, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность, отличную от четырех, общеизвестно лишь одно - СО, угарный газ, в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что в действительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислорода соединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этого соединения пишут так:

Промышленное значение углерода

Для химической промышленности углерод и его неорганические соединения представляют значительный интерес - чаще как сырье, реже как конструкционные материалы.

Многие аппараты химических производств, например, теплообменники, изготавливают из графита. И это естественно: графит обладает большой термостойкостью и химической стойкостью и при этом прекрасно проводит тепло. Кстати, благодаря этим же свойствам графит стал важным материалом реактивной и ракетной техники. Из графита сделаны рули, работающие непосредственно в пламени сопловых аппаратов. В воздухе воспламенить графит практически невозможно (даже в чистом кислороде сделать это непросто), а чтобы испарить графит нужна температура, намного более высокая, чем развивающаяся даже в ракетном двигателе. И, кроме того, при нормальном давлении графит, как и гранит, не плавится.

Без графита трудно представить современное электрохимическое производство. Графитовые электроды используются не только электрометаллургами, но и химиками. Достаточно вспомнить, что в электролизерах, применяемых для получения каустической соды и хлора аноды - графитовые.

Карбонат кальция, известняк, служит сырьем в производстве извести, цемента, карбида кальция. Другой минерал - доломит - «праотец» большой группы доломитовых огнеупоров. Карбонат и гидрокарбонат натрия - кальцинированная и питьевая сода. Одним из основных потребителей кальцинированной соды была и остается стекольная промышленность, на нужды которой идет примерно треть мирового производства Na₂CO₃.

Немалую роль играет углерод в фармацевтической промышленности, поскольку он входит в состав многих лекарств, сорбентов (самый простой из них - активированный уголь), витаминов, биологических добавок.

Углерод - не металл. Но по некоторым характеристикам, в частности по теплопроводности и электропроводности, графит весьма «металлоподобен». Углерод - не металл, и, тем не менее это один из важнейших для металлургии элементов. Именно благодаря ему совершенно непригодное в качестве конструкционного материала мягкое, слабое железо становится чугуном или сталью. В последние десятилетия получили распространение так называемые графитизированные стали, в структуре которых есть свободные микрокристаллы графита. В основном эти стали идут на производство инструмента, коленчатых валов, штампов и поршней, потому что им свойственна большая, чем у иных нелегированных сталей, прочность и твердость. углерод химический алмаз графит карбин

Как восстановитель углерод применяют не только в производстве чугуна, но и многих цветных металлов. Практически в роли восстановителя выступает кокс, в котором содержание углерода достигает 98%. А вот древесный уголь - первый, видимо, восстановитель в черной металлургии - в цветной металлургии нашего времени выступает в ином качестве. Из него делают так называемый покровный слой, предохраняющий расплавленный металл от окисления.

Не обходится без углерода и производство алюминия - металл нарастает на графитовом катоде.

А в доменном процессе обычно участвует не только элементарный углерод (в виде кокса), во и одно из соединений элемента № 6. Обыкновенные плотные известняки применяют в качестве флюсов при выплавке чугуна из железных руд, содержащих в качестве пустой породы кремнезем и глинозем.

Углерод - основа жизни на Земле

Великий русский химик, создатель Периодической системы элементов Дмитрий Иванович Менделеев написал об углероде:

«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал - все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Сейчас этот раздел химической науки называется органической химией. Органика - это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединений этого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы и подгруппы - на самостоятельные науки. Из органики вышли, от нее отпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологически активных и лекарственных соединений. Без нее немыслима молекулярная биология.

Известны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и только около ста тысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно, что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод - одиннадцатый по распространенности на Земле элемент - взял на себя труднейшую задачу быть основой всего живого?

Ответ на этот вопрос неоднозначен.

Во-первых, ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде.

Во-вторых, углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами.

В-третьих, связь атомов углерода между собой, так же как и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: из атмосферы - в растения, из растений - в животные организмы, из живого - в мертвое, из мертвого - в живое.

Где углерод, там многообразие. Где углерод, там сложное строение, и самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане СН₃ - CH₂ - СН₂ - СН₃ или полиэтилене - СН₂ - СН₂ - CH₂ - CH2 -, и разветвленные структуры, и кольца с чисто углеродным скелетом, и те же кольца с «подвесками» из групп атомов, и кольца, в которые вклинились посторонние атомы - гетероциклические соединения, и конгломераты всевозможных колец. А на вершине усложнения - самые главные для нас углеводные полимеры: нуклеиновые кислоты и белки. Например, двойная спираль молекулы ДНК или лабиринт из четырех перепутанных цепей молекулы гемоглобина.

Сегодня ученые рассматривают возникновение жизни на Земле как сложный процесс эволюции углеродистых соединений, но их продолжает волновать вопрос: уникален ли углерод как основа жизни, или же просто на нашей планете сложились такие физико-химические условия, при которых природа отдала предпочтение именно этому элементу? Ответ на этот вопрос был получен после ряда космических исследований: оказалось, что космическая пыль в основном состоит из частиц углерода. Таким образом, углерод может служить носителем жизни в любом участке Вселенной.

Писатели-фантасты не раз обыгрывали ситуацию, когда космические путешественники попадали на планету, населенную живыми существами, в чьих организмах роль углерода выполнял кремний или какой-нибудь другой элемент. Но сегодня на вопрос: «Возможна ли безуглеродная жизнь?» наука дает отрицательный ответ.

Размещено на Allbest.ru