Углерод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №17

Реферат по химии на тему:

Углерод

г. Клин, 2008

Введение

Мы выбрали эту тему, потому что углерод - это самый важный элемент, без него невозможно представить все живое, он действительно ЖИЗНИ ДАЮЩИЙ НАЧАЛО. Но углерод - не только основа живого вещества. Он играет огромную роль и в культуре человечества.

Без него никогда не наступил бы железный век. И вообще, без него железо не смогло бы стать главным элементом человеческой культуры. Мягкое, слабое, податливое, оно не выдержало бы в свое время конкуренции со звонкой острой бронзой.

Не будь углерода, человечество не имело бы в своем распоряжении и главных энергетических источников периода расцвета машинной техники. Не было бы тепловых электростанций паровозов и теплоходов. Также углерод входит в состав машинной смазки. Ведь даже колеса допотопной телеги крестьянин смазывал дегтем.

Углерод как простое вещество

Подавляющее большинство соединений углерода относят к так называемым органическим веществам. В этом разделе рассмотрим свойства неорганических веществ, образуемых углеродом, - простых веществ, его оксидов, угольной кислоты и некоторых ее солей.

Углерод образует несколько простых веществ. Среди них пока важнейшими считаются алмаз и графит, но есть еще третья форма, называемая карбином, он в природе не встречается, и четвертая форма- фуллерен. Эти аллотропные модификации имеют атомные кристаллические решетки, которые различаются своими структурами. Отсюда отличие их физических и химических свойств.

Алмаз - очень редкий камень. За всю историю человечества было добыто вряд ли больше 100 тонн этого сверкающего камня. Крупные алмазы стоят очень дорого. Стоимость алмаза не растет пропорционально его весу, она многократно обгоняет его. Правда при этом учитывается не только величина алмаза, но и его другие качества - окраска, прозрачность, качество шлифовки. Нет в природе вещества, резец которого мог бы провести царапину на грани алмаза, поэтому шлифовку бриллиантов осуществляли издавна с помощью алмазного порошка. В течение многих веков алмаз был камнем драгоценных украшений, символом власти и роскоши, но в настоящее время он широко используется в промышленности.

Не стоит перечислять всех возможных применений алмазов в технике. Это и подшипники точнейших механизмов, и опоры лабораторных весов, и иглы измерительных приборов,… но в первую очередь алмаз - это инструмент. И вероятно, не будет слишком смелым сказать, что в любой области промышленности, в любом производстве применение алмазов вызывает буквально техническую революцию. Судите сами: применение алмазных долот при бурении не менее чем вдвое сокращает время проходки скважин. Токарный резец, у которого вместо твердосплавной пластинки вставлен алмаз, обладает в сто раз большей стойкостью. Алмазная волока (инструмент, с помощью которого изготовляют проволоку) служит в триста раз дольше, чем твердосплавная. Уже это показывает колоссальную выгодность применения алмаза.

В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка. Алмаз - это самое твердое вещество на Земле.

Графит не менее полезный и удивительный камень. Кстати, и по некоторым свойствам своим графит может спорить с алмазом и даже превосходить его.

Первое из этих свойств - теплостойкость. Алмаз при нагревании вспыхивает и сгорает; нагретый без доступа воздуха, уже при температуре около 2000 градусов он перестает быть алмазом. Совсем по-другому ведет себя графит. Долгое время вообще считали, что огонь не властен над ним. И действительно, он остается твердым до температуры в 3850 градусов. Это самое тугоплавкое из известных технике веществ, да и нагретый до этой критической температуры, равной двум третям температуры поверхности Солнца, графит не плавится. Он сразу испаряется.

На алмаз не действует ни одна из известных кислот, даже в самой сильной концентрации, даже при повышенной температуре.

Тонкой пленкой графита покрывают литейные формы, предохраняя отливки от пригара к ним формовочной земли. Из графита изготовляют детали ракеты, работающие в раскаленной, химически агрессивной струе реактивного выхлопа. На изготовление противопригарочных материалов используется почти половина добываемого в нашей стране графита.

Графитовую смазку используют не только в узлах машин, работающих в сверхтяжелых условиях, она применяется и при обработке металлов, при волочении проволоки, изготовлении цельнотянутых труб и в других местах, где важно обеспечить беспрепятственное скольжение деформируемому металлу.

Графит обладает способностью замедлять движение нейтронов. А именно это и нужно в атомных реакторах некоторых типов. Исторгнутый взорвавшимся ядром нейтрон не может сразу вызвать взрыв другого ядра: у него слишком велика скорость движения. Ее надо замедлить, ибо только “медленный” нейтрон может вызвать взрыв другого ядра. Вот это-то замедление и осуществляют графитовые стержни, которые являются обязательной деталью такого рода реакторов. Кроме того, графит хорошо отражает нейроны. Поэтому стенкой графита нередко окружают активную зону реакторов, дабы нейтроны возвращались в нее, а не пропадали впустую. В графите каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь 2р-АО с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбиталь всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей. Эта зона занята не полностью, а наполовину, что обеспечивает металлическую электропроводность графита (в отличие от алмаза).

Помимо электропроводности графит обладает еще тремя практически важными свойствами.

Во-первых, тугоплавкость. Температура плавления графита выше 3500С - это самое тугоплавкое простое вещество на Земле.

Во-вторых, отсутствие на его поверхности каких-либо продуктов взаимодействия с окружающей средой (на металлах это оксиды), увеличивающих электрическое сопротивление.

В-третьих, способность оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. В кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая, она имеет межмолекулярную природу, как в веществах с молекулярными решетками. Поэтому уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относително друг друга, что и обусловливает действие графита как смазки.

Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета, в его кристаллической структуре длинные цепочки атомов С (громадные линейные молекулы уложенные параллельно друг другу).

Фуллерен - еще одна форма углерода была открыта в 1985г. К фуллеренам относят вещества с четным числом атомов углерода в молекуле. Эти молекулы состоят из атомов углерода, объединенных в пяти- и шестиугольники с общими ребрами. Молекулы фуллеренов напоминают футбольные мячи. Фуллерен С70 имеет форму дыни. На основе фуллеренов получают полимеры, применяемые в электротехнике.

Энергия связи между атомами углерода в простых и сложных веществах, в том числе и в алмазе, и в графите. Очень велика. О твердости алмаза уже говорили. Прочна связь между атомами и в графитовой сетке. Так, прочность на разрыв волокна из графита значительно превышает прочность железа и технической стали.

На основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы. Композиционные материалы все шире применяются в авиационной и космической технике (ведь помимо прочности они легкие; сравним плотность графита, р=2,3 г/см3 ,с плотностью “легкого” алюминия, р=2,7г/см3, и тем более железа, р=7,9г/см3), а также в судостроении, где особенно ценна коррозионная стойкость.

Углерод химически инертен только при сравнительно низких температурах, а при высоких - это один из сильнейших восстановителей. Главное химическое применение углерода - восстановление металлов, в первую очередь железа, из руд.

Оксиды углерода

Имея четыре электрона во внешнем энергетическом уровне, углерод в соединениях с кислородом в зависимости от условий проявляет валентности +2 и +4.

При горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др.) при температуре обычного пламени идет реакция:

С + О2 = СО2

Но если создать условия для повышения температуры (например, уменьшить теплоотвод, что может происходить внутри толстого слоя горящего угля, в том числе в доменной печи), то протекают реакции:

С +О2 = 2СО

СО2 + С = 2СО

Продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ является оксид углерода (1У) СО2 - углекислый газ. Он же образуется при дыхании живых организмов и гниении их остатков. Одновременно углекислый газ (вместе с водой) является главным веществом, потребляемым растениями в процессе их роста.

При повышении давления уже при комнатной температуре диоксид углерода сжижается. Жидким СО2 заполняют некоторые типы огнетушителей.

При понижении давления жидкий оксид углерода закипает. При этом его температура резко снижается, поскольку на порообразование, как известно из физики, затрачивается большое количество теплоты. В результате СО2 затвердевает. В твердом виде (под названием “сухой лед”) он применяется в качестве хладоагента. При атмосферном давлении “сухой лед” не плавится, а подобно иоду, фосфору, углероду возгоняется, только при значительно более низкой температуре (-75? С).

Углерод (лат. Carboneum), С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12С (98,892 %) и 13С (1,108 %).

Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применяться 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 изучения горения алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 А.Лавуазье. Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo - 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). Углерода накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18 % углерода, в древесине 50 %, в каменном угле 80 %, в нефти 85 %, антраците 96 %. Значит часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.

Число собственных минералов углерода - 112; исключительно велико число органических соединений углерода - углеводородов и их производных.

С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д.

По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти ископаемые - основные источники энергии.

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

Физические и химические свойства

Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2, или 1кгс/см2) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а=3,560. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700С графит возгоняется. Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м2 (1051 кгс/см2) и температурах выше 3700С. Для твердого углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой “аморфный” углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей “аморфного” углерода выше 1500-1600С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства “аморфный” углерода очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность “аморфный” углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного 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.

В атоме углерода на его внешних четырех АО имеется четыре электрона. Поэтому все четыре АО принимают участие в образовании химических связей. Этим объясняется разнообразие и многочисленность соединений углерода.

Конфигурация внешней оболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной оболочки до состояния 2sp3. Поэтому углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счет 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 0,77,ковалентные радиусы 0,77, 0,67, 0,60 соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус С4- 2,60, С4+ 0,20. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.

Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентриров. HNO3 и KCIO3 и др.). “Аморфный” углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственно соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и йодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х - галоген) наиболее известная хлорокись COCI2 (фосген).

При температурах выше 1000С 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, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600 - 800С с водяным паром и углекислым газом.

Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).

Народнохозяйственное значение:

Углерод 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 пластичных масс и др.

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 вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими 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 другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О, Н - составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет на много сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили (СН4)и цианистый водород (HCN),содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (СО2),находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем 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 других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, - одна из важных современных научно - технических проблем.

Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (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. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Углерод в органической химии

Тысячелетиями измеряется время знакомства человечества с органическими веществами. В солнечной Греции и в могущественном Риме люди умели из виноградного сока готовить искристое, веселящее вино. Еще раньше в Египте, Финикии и далекой Индии расцвело искусство крашения тканей. Растительные масла, животные жиры, сахар, крахмал, уксус, смолы, красители - вот весь список органических веществ, которые выделяли и использовали в ту эпоху. Органической химии как науки еще не существовало. Впрочем, химия вообще еще не стала на ноги.

Период алхимии почти ничего не добавил к знаниям о органических веществах. Правда, алхимики улучшили способ перегонки, что позволило получать крепкий винный спирт. Он тогда считался самым сильным лекарством и носил имя: “аква вита” - жизненная вода. Алхимики считали его одним из самых важных составных частей философского камня.

До 16-го века все вещества различали лишь по их физическим свойствам, поэтому винный спирт считали родственником нашатырного спирта и соляной кислоты, коровье масло ставили рядом с расплывающимся на воздухе хлористым цинком, сахар причислялся к солям.

В 20-ом веке начала бурно развиваться органическая химия. В 30-40-е годы советским химикам удалось решить целый ряд проблем, связанных с выяснением механизма свободно-радикальной полимеризации непредельных соединений. Это дало ученым ключ к познанию методов управления полимеризационными процессами.

Большим достижением была разработка полимеризационных и поликонденсационных способов получения многих исключительно важных для техники материалов, в частности кремнийорганических высокомолекулярных соединений. На этой основе удалось организовать производство всевозможных пластмасс, химических волокон, пленок, клеев самого различного назначения.

Значительные успехи достигнуты химиками, главным образом школой В.А. Каргина, в области изучения строения полимеров, что позволило перейти к решению задач модификации их физических свойств, к созданию научно обоснованных способов переработки полимеров в изделия.

Родившись в стенах классической органической химии, химия высокомолекулярных соединений постепенно выделилась в самостоятельную область, которая впитала в себя достижения как органической, так и физической химии и широко пользуется методами исследования, заимствованными из физики. Очень велик и, по-видимому, будет все более возрастать, выход химии высокомолекулярных соединении в народное хозяйство.

Однако, прежде чем достичь этого, потребовались десятки лет упорного труда наших химиков не только для изучения процессов формирования больших молекул - полимеров, но и для поиска промышленных методов синтеза их сырья - мономеров.

Развитие химии высокомолекулярных соединений

В конце 20-х - начале 30-х годов, когда налаживалось промышленное производство каучука, было более или менее ясно, как получать каучук из дивинила или изопрена, однако задача создания экономичного способа синтеза этих мономеров оставалась нерешенной. Требовалась большая предварительная работа по изысканию методов выделения изопентана из продуктов нефтепереработки и каталитической дегидрогенизации его с удовлетворительными выходами изопрена.

Что же касается дивинила, то с ним дело обстояло проще. Тщательные и разносторонние исследования по каталитическому превращению спиртов, осуществленные в начале текущего столетия В.Н. Ипатьевым, указывали на принципиальную возможность его получения непосредственно из этилового спирта. Эту возможность претворил в жизнь в 1928 г. С.В. Лебедев, работы которого явились крупным вкладом в мировую науку. Предложенный Лебедевым метод синтеза дивинила превосходит не только ранее разработанные, но и те, которые появились позже и использовались в промышленности других стран.

Наряду с синтезом дивинила из спирта уже с 30-х годов проводились систематические исследования, направленные на то, чтобы разработать промышленные методы получения дивинила и изопрена непосредственно из нефтяного сырья. Целый ряд работ был посвящен изучению кинетики и термодинамической стороны процессов:

углерод химия атом высокомолекулярный

а также подбору катализирующих систем. К ним относились, в частности, исследования А.А. Баландина и сотрудников, выполненные в Институте органической химии АН СССР, работы Г.Д. Любарского, М.Я. Кагана и С.Я. Пшежецкого в физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова. В результате, уже в 40-х годах удалось найти условия и катализаторы реакций дегидрогенизации бутиленов в дивинил (с выходом, близким к термодинамически возможному - 37 % на пропущенный олефин) и бутана в бутилен.

Систематические работы по дегидрогенизации пентанов и пентенов в изопрен начались лишь с 50-х годов. В них вместе со своими сотрудниками приняли участие Б.А. Казанский, Н.И. Шуйкин, Ю.Г. Мамедалиев и ряд других исследователей. Были достигнуты выходы изопрена свыше 30% на пропущенные исходные углеводороды. Изучая дегидрогенизацию изопентан-изопентеновых смесей, А.А. Баландин нашел условия, при которых изопрен получается с выходом 38% на исходный изопентан и около 90% на прореагировавшую смесь.

Проблема поиска промышленных методов получения мономеров стояла не только перед исследователями, занятыми синтезом каучука, но и, по существу, являлась ключевой при синтезе полимеров на основе производных акриловой кислоты и самых различных виниловых эфиров.

Немалая заслуга в решении этой проблемы принадлежит А.Е. Фаворскому и его школе. Так, в 30-х годах А.Е. Фаворский и И.Н. Назаров разработали метод синтеза винилэтинилкарбинолов, на основе которых Назаров затем получил разнообразные полимеры, нашедшие широкое применение в машиностроении, электротехнике, деревообделочной промышленности и т.д. в качестве склеивающих веществ. В этом направлении в СССР было проведено особенно много важных исследований.

Размещено на Allbest.ru