Карбон – основа життя на Землі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди

Індивідуальна робота з неорганічної хімії

на тему: "Карбон - основа життя на Землі"

Виконала: Карпишина Ксенія Анатоліївна

Перевірив: Кротенко Роман Іванович

Харків 2014 рік

Зміст

Вступ

1. Карбон та його сполуки

2. Застосування та токсична дія

Література

Вступ

Карбон (лат. Carboneum), С - хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва. Відомі два стабільних ізотопи 12 С(98,892 %) і 13С (1,108%).

Карбон відомий з глибокої старовини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовуватися графіт для виготовлення олівців.

У 1778 Д.О. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється оксид карбону (IV) - вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений внаслідок дослідів А. Лавуаз'є (1772) по вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), що довело, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Карбон як хімічний елемент був визнаний тільки в 1789 А. Лавуазье. Латинську назву сarboneum карбон отримав від сarbo.

Кругообіг та поширення в природі:

Середній вміст карбону в земній корі 2,3*10-2 % по масі (1*10 -2 в ультраосновних, 1*10 -2 в основних, 2*10 -2 в середніх, 3*10 -2 в кислих гірських породах). Карбону нагромаджується у верхній частині земної кори (біосфері): в живій речовині 18 % карбону, в деревині 50 %, в кам'яному вугіллі 80 %, в нафті 85 %, антрациті 96 %. Означає частина карбону літосфери зосереджена у вапняках і доломіті.

Число власних мінералів карбону - 112; виключно велике число органічних сполук карбону - вуглеводородів і їх похідних.

З накопиченням карбону в земній корі пов'язане накопичення і багатьох інших елементів, які осідають у вигляді нерозчинних карбонатів і т.д.

У порівнянні зі середнім вмістом в земній корі людство у виключно великих кількостях витягує карбон з надр (вугілля, нафта, природний газ), так як ці викопні основні джерела енергії.

Карбон широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце після гідрогену, гелію і оксигену.

1. Карбон та його сполуки

В залежності від числа -зв'язків координаційне число карбон рівне 4 (sp3 - гібридизація), 3 (sp2 - гібридизація) або 2 (sp - гібридизація валентних орбіталей).

Карбон - хімічний елемент з атомним номером 6. Назва Карбон вуглець - традиційна назва. Карбон належить до групи 14 періодичної системи за сучасною класифікацією або до основної підгрупи IV групи за старою класифікацією. Простої речовини під назвою вуглець не існує, різні алотропіні видозміни Карбону мають свої власні назви.

Карбон є одним із поширених елементів земної кори, складаючи близько 0,1% її маси. Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів.

В більшості сполук карбон 4 - валентний, йому відповідають ступені окиснення -4, +4, +2.

В атомі карбон на відміну від усіх інших елементів число валентних електронів рівне числу валентних орбіталей. Це одна з головних причин великої стійкості зв'язку С - С і виняткової схильності вуглецю до утворення гомоланцюгів. Гомоланцюгові молекули які містять зв'язок С - С, бувають найрізноманітніших типів: лінійні, розгалуженні, зшиті, циклічні. Ці численні сполуки вуглецю вивчаються в органічній хімії.

Карбон - головна складова частина тваринного і рослинного світу.

В природі карбон знаходиться у вигляді органічних сполук - нафти, горючих газів. В земній корі карбон знаходиться в складі карбонатних мінералів (CaCO3 i MgCO3), кам'яного вугілля, графіту і алмазу.

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

Ідентифікація Карбону як хімічного елемента тісно пов'язана з розвитком уявлень про хімічну природу горіння.

За звичайних умов вуглець хімічно інертний, при високих температурах сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості. Найважливіша властивість вуглецю - здатність його атомів утворювати міцні хімічні зв'язки як між собою, так і з іншими елементами. Здатність вуглецю утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами дозволяє будувати вуглецеві скелети різних типів (лінійні, розгалужені, циклічні); саме цими властивостями і пояснюється виняткова роль вуглецю в будові органічних сполук і, зокрема, всіх живих організмів.

Алмаз, графіт, карбін та ін.

Вуглець утворює декілька алотропних видозмін. Серед них природні: алмаз, графіт, лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки та штучні: карбін, графен та аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.

Алмаз

Алмаз - прозора, безбарвна або трохи забарвлена домішками в різноманітні відтінки кристалічна речовина. Для відшліфованих алмазів, діамантів, характерна особлива гра світла, зумовлена сильним заломленням на гранях. карбон вуглець хімічний

В алмазі кожен атом Карбону утворює ковалентні зв'язки із чотирма іншими атомами. Як наслідок утворюється гранецентрована кубічна структура із двох підґраток, що отримала назву структури алмазу. Така структура характерна також для інших елементів 14 підгрупи періодичної таблиці: Кремнію та Германію.

Алмаз - найтвердіша речовина серед усіх відомих, навіть міцніша за обсидіан. Завдяки своїй надзвичайній твердості він широко застосовується при бурінні твердих гірських порід, обробці твердих металів, виробництві абразивів тощо. Відшліфовані безбарвні кристали алмазу - діаманти - коштовні прикраси.

Найбільші родовища алмазів розташовано в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.

Графіт

Графіт - темно-сіра непрозора дрібнокристалічна речовина, жирна на дотик. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм та тепло і дуже м'який.

Графіт у великих кількостях одержують штучно - нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах при температурі близько 3000 °C і підвищеному тиску без доступу повітря. Штучний графіт відзначається високою чистотою і м'якістю. За своїми якостями він кращий за природний. Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною для виробництва вогнетривких тиглів. З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральними оливами його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.

Різка відмінність у фізичних властивостях алмазу і графіту зумовлена різною кристалічною будовою. В кристалах алмазу кожний атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, розміщеними на однаковій віддалі один від одного. В кристалах графіту атоми вуглецю розміщені у кутах правильних шестикутників в одній площині і утворюють окремі шари. Віддаль між окремими шарами більша, ніж між атомами в тому ж шарі. Внаслідок цього зв'язок між окремими шарами значно слабший, ніж між атомами того ж шару. Тому кристали графіту легко розщеплюються на окремі лусочки, які самі по собі досить міцні.

Графен

Графен за своєю будовою - окремий атомний шар зі структурою графіту - атоми вуглецю утворюють стільникову структуру з міжатомною віддаллю 142 пм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладинці.

Карбін

Карбін - штучно отриманий різновид вуглецю, на вигляд дрібнокристалічний порошок чорного кольору. Кристалічна структура карбіну характеризується наявністю довгих ланцюжків із атомів вуглецю, розташованих паралельно. Густина 3,23-3,30.

Фулерен

Фулерен - специфічна структура із атомів Карбону, відкрита в середині 1980-их, молекула якої має вигляд м'яча. Як в графіті, кожен атом Карбону на поверхні сполучений із трьома іншими. На відміну від графіту, атоми утворюють не тільки шести, а й п'ятикутники. Внутрішня частина молекули порожня, що зумовлює широкі можливості для одержання на основі фулерену сполук включення.

Вуглецеві нанотрубки

Вуглецеві нанотрубки - це ще одна нещодавно відкрита специфічна структура, що складається із одного або кількох скручених у трубку графітних шарів. Діаметр таких трубок порядка 1-10 нанометрів. Нанотрубки мають унікальні фізичні властивості, зокрема високу міцність на розрив, адсорбційну здатність. Вони активно досліджуються і мають великі перспективи для використання. Вуглецеві нанотрубки виявлені у природі (шунгіт), їх також штучно вирощують у лабораторіях.

Аморфний вуглець

Вуглець існує також у аморфному стані з неврегульованою структурою у вигляді сажі, коксу, деревного вугілля тощо. У природі ця алотропна видозміна не зустрічається. Її одержують штучно з різних сполук, що містять вуглець. Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фізичні властивості "аморфного" вуглецю значною мірою залежать від дисперсності частинок та від наявності домішок.

Найважливішими технічними сортами аморфного вуглецю є сажа і деревне вугілля. Сажа - найчистіший аморфний вуглець. У промисловості сажу одержують здебільшого термічним розкладом метану, а також при спалюванні різних органічних речовин при недостатньому доступі повітря. Сажу широко застосовують як наповнювач у виробництві гуми з каучуку, а також для виготовлення друкарських фарб, туші тощо.

Деревне вугілля добувають нагріванням дерева без доступу повітря у спеціальних печах. Його застосовують у металургії для одержання високих сортів чавуну і сталі, в ковальській справі, для виготовлення чорного пороху і як адсорбент.

Біологічна роль

Сполуки вуглецю є основою всіх рослинних і тваринних організмів. Забезпечуючи життя, Карбон здійснює в природі постійний кругообіг, який називають вуглецевим циклом. У складі вуглекислого газу Карбон присутній в атмосфері Землі, а також у розчиненому вигляді у воді. Живі організми засвоюють його з атмосфери чи води завдяки процесу, який має назву фіксація Карбону. Інші організми, нездатні засвоювати Карбон безпосередньо, отримують його через харчові ланцюжки. Карбон частково повертається в атмосферу у вигляді вуглекислого газу як продукт дихання або горіння, однак частина Карбону йде на утворення метану й карбонатів, наприклад карбонату кальцію. Залишки загиблих організмів входять зрештою до осадових порід, кам'яного вугілля, нафти, природного газу. Карбон повертається в атмосферу в процесі довготривалого геологічного колообігу як наслідок дегазації порід, вулканічній діяльності тощо. Частково збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері Землі зумовлене діяльністю людини - використанням викопного палива для отримання енергії.

Значну частину необхідної організмам енергії утвориться в клітках за рахунок окислення карбону.

Унікальна роль карбону в живій природі зумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден інший елемент періодичної системи. Між атомами карбону, а також між карбоном і іншими елементами утворяться міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними). Здатність карбону утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами. Карбон створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що усього три елементи - С, О, Н - становлять 98 % загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності карбонних сполук невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє на багато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома карбону лежить в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася такою, що вирішує в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).

Згідно з гіпотезою А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами карбону служили (СН 4)і ціанистий гідроген (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного карбону, за рахунок якого утвориться вся органічна речовина біосфери, є карбону двоокис (СО 2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинений в природних водах у вигляді НСО 3 . Найбільш могутній механізм засвоєння (асиміляція) карбону (в формі СО 2) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами. На Землі існує і еволюційне більш древній спосіб засвоєння СО 2 шляхом хемосинтезу; в цьому випадку мікроорганізми - хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають карбон з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. У залежності від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізнювати автотрофні організми і гетеротрофні організми. Застосування для біосинтез білка і інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело карбону, вуглеводороди нафти, - одна з важливих сучасних науково - технічних проблем.

2. Застосування та токсична дія

Деревне вугілля має здатність адсорбувати (поглинати) на своїй поверхні різні гази і деякі речовини з розчинів. Адсорбція відбувається поверхнею вугілля, тому воно здатне поглинати (адсорбувати) тим більшу кількість речовин, чим більша його сумарна поверхня, тобто чим більше воно подрібнене або пористе. Пористість, а разом з тим і адсорбційна здатність деревного вугілля різко збільшується при попередньому нагріванні в струмені водяної пари. При цьому пори вугілля очищаються від смолистих речовин і його внутрішня поверхня дуже збільшується. Таке вугілля називається активованим.

Активоване деревне вугілля широко використовують у цукровому виробництві для очистки цукрового сиропу від домішок, що надають йому жовтого забарвлення, в спиртовому виробництві для очистки винного спирту від сивушних олій, в деяких виробництвах для вловлювання парів цінних летких речовин - бензину, ефіру, сірковуглецю, бензолу тощо з наступним видаленням їх при нагріванні.

У Першу світову війну активоване вугілля за пропозицією академіка М.Д. Зелінського було застосовано у протигазах для захисту органів дихання від отруйних газів, зокрема від хлору, який німці застосували в 1915 р. проти французьких військ. Активоване вугілля як адсорбент застосовується і в сучасних протигазах.

Графіт використовується в олівцевій промисловості. Також його використовують як мастило при особливо високих або низьких температурах.

Алмаз, завдяки винятковій твердості, незамінний абразивний матеріал. Алмазні напилення мають шліфувальні насадки бормашин. Крім цього, ограновані алмази - діаманти використовуються як дорогоцінне каміння в ювелірних прикрасах. Завдяки рідкісності, високим декоративним якостям і збігу 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 галузі.

У фармакології та медицині широко використовуються різні сполуки вуглецю - похідні вугільної кислоти та 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 є основою всіх органічних речовин. Будь-який живий організм складається в значній мірі з вуглецю. 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 похованням у вигляді вугілля або нафти.

Високий вміст вуглецю в атмосферних аерозолях веде до підвищення захворюваності населення, особливо верхніх дихальних шляхів і легень. Професійні захворювання - в основному антракоз і пиловий бронхіт.

Токсична дія 14С у складі молекул білків (особливо в ДНК і РНК), визначається його радіоактивним розпадом із випромінюванням в-частинок (14С (в) > 14N), що призводить до зміни хімічного складу молекули.

Література

1. http://uk.wikipedia.org

2. http://intranet.tdmu.edu.ua

3. http://old.docme.ru/doc/229608/karbon-ta-sil%D1%96cij

Размещено на Allbest.ru