Надо Знать

добавить знаний



Углерод



План:


Введение

a) Алмаз, b) Графит ( Графен) c) Лонсдейлит d) Фуллерен (C60) e) C540 f) C70 g) Аморфный углерод h) Углеродные нанотрубки

Карбон (С) или углерод - химический элемент с атомным номером 6. Сказывается С, относится к числу распространенных элементов земной коры, составляя около 0,1% ее массы. Соединения углерода является основой всех растительных и животных организмов.


1. История

Углерод в виде древесного угля применялся в древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода - алмаз и графит.

На рубеже XVII-XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером, и Георгом Шталь. Эта теория признавала наличие в каждом горючей теле особого элементарного вещества - невесомого флюида - флогистона, которая испаряется в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистикы считали, что уголь - это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, "флогистувальну" действие угля - его способность восстанавливать металлы из "вапен" и руд. Позднейшие флогистикы, Реомюра, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь является элементарной веществом. Однако впервые таким "чистый уголь" было признано Антуаном Лавуазье, исследовавший процесс сжигания в воздухе ат кислороде угля и других веществ. В книге Гитоном где Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа "Метод химической номенклатуры" (1787) появилось название "углерод" (carbone) вместо французского "чистый уголь" (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в "Таблице простых тел" и в "Элементарный учебник химии" Лавуазье.

1791 английский химик Теннант первым получил свободный углерод, он пропускал пары фосфора над прокаленной мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще 1751 французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает только алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательного линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большого зажигательного машины и пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй алотроп углерода, графит, в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago, только 1740 Потт обнаружил отсутствие в граффити юудь всякой примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, признал его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащий связанную "воздушную кислоту" (СО 2) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитоном где Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.


2. Общая характеристика

При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Важнейшее свойство углерода - способность его атомов образовывать прочные химические связи как между собой, так и с другими элементами. Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами позволяет строить углеродные скелеты различных типов (линейные, разветвленные, циклические), именно этими свойствами и объясняется исключительная роль углерода в строении органических соединений и, в частности, всех живых организмов.


3. Физические свойства

3.1. Изотопы

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов - 12 С (98,93%) и 13 С (1,07%) и одного радиоактивного изотопа 14 С (β-излучатель, Т = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции 14 N (n, p) 14 C, а также с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

На создании и распаде 14 С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяется в четвертичной геологии и археологии.


3.2. Аллотропных видоизменения

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений:


3.2.1. Алмаз

Прозрачная и бесцветная или слегка окрашенная примесями в разнообразные оттенки кристаллическое вещество. Он ярко блестит из-за сильного преломления лучей.

Алмаз - самое твердое вещество среди всех известных. Благодаря своей чрезвычайной твердости он широко применяется при бурении твердых горных пород, обработке твердых металлов и их сплавов и т.д.. Отшлифованные бесцветные кристаллы алмаза - бриллианты - драгоценные украшения.

Крупнейшие месторождения алмазов расположены в Южной Африке и в Якутии. Ежегодная мировая добыча алмаза составляет около 300 кг. В последние годы алмаз начали получать искусственно при очень высоких давлениях и высокой температуре.


3.2.2. Графит

Темно-серая непрозрачная мелкокристаллическая вещество, жирная на ощупь. В отличие от алмаза графит хорошо проводит электрический ток и тепло и очень мягкий. Графит в больших количествах получают искусственно - нагреванием кокса или антрацита в специальных электрических печах при температуре около 3000 C и повышенном давлении без доступа воздуха. Искусственный графит отличается высокой чистотой и мягкостью. По своим качествам он лучше естественный. Графит широко применяется для изготовления электродов, в смеси с глиной для производства огнеупорных тиглей. С графита делают обычные карандаши. В смеси с минеральным маслом его используют для смазки машин, работающих при повышенных температурах.

Резкое различие в физических свойствах алмаза и графита объясняется их разной кристаллическим строением. В кристаллах алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя другими атомами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. В кристаллах графита атомы углерода расположены в углах правильных шестиугольников в одной плоскости и образуют отдельные слои. Расстояние между отдельными слоями больше, чем между атомами в том же слое. Вследствие этого связь между отдельными слоями значительно слабее, чем между атомами того же слоя. Поэтому кристаллы графита легко расщепляются на отдельные чешуйки, которые сами по себе достаточно крепкие.


3.2.3. Графен

Графен по своему строению - отдельный атомный слой в структуре графита - атомы углерода образуют сотовую структуру с межатомного расстоянием 142 пм. Без опоры графен имеет тенденцию сворачиваться, но может быть устойчивым на пидкладинци.

3.2.4. Карбин

Искусственно полученный разновидность углерода, который представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета, кристаллическая структура характеризуется наличием длинных цепочек атомов углерода, расположенных параллельно. Плотность 3,23-3,30.

3.2.5. Фуллерен

Специфическая углеродная структура, молекула которой имеет вид мяча. Внутренняя часть молекулы пуста, что обуславливает широкие возможности для получения на основе фуллерена соединений включения.

Фуллерены C60 Кристаллы

3.2.6. Углеродные нанотрубки

Специфическая углеродная структура, в которой атомы углерода образуют поверхность "скручена" в трубку наноразмеров. Имеет уникальные физические свойства, в частности прочность на разрыв, адсорбционную способность. Активно исследуется и имеет большие перспективы для использования. Углеродные нанотрубки обнаружены в природе ( шунгит) и получены искусственно.

3.2.7. Аморфный углерод

Состояние углерода с неупорядоченной структурой - (сажа, кокс, древесный уголь). В природе не встречается. Его получают искусственно из различных соединений, содержащих углерод. Аморфный углерод, или просто аморфное угля, на самом деле является кристаллическим, но его кристаллики такие маленькие, что их не видно даже в микроскоп. Физические свойства "аморфного" углерода в значительной степени зависят от дисперсности частиц и от наличия примесей.

Важнейшими техническими сортами аморфного углерода является сажа и древесный уголь. Сажа представляет собой чистый аморфный углерод. В промышленности сажу получают в основном термическим разложением метана, а также при сжигании различных органических веществ при недостаточном доступе воздуха. Сажу широко применяют как наполнитель в производстве резины с каучука, а также для изготовления печатных красок, туши и т.д..

Древесный уголь добывают нагреванием дерева без доступа воздуха в специальных печах. Его применяют в металлургии для получения высоких сортов чугуна и стали, в кузнечном деле, для изготовления черного пороха и как адсорбент.


3.2.8. Лонсдейлит

Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно; его структура и физические свойства окончательно не установлены.

4. Химические свойства

Химическая активность различных аллотропных видоизменений углерода различна. Алмаз и графит почти не вступают в химические реакции. Они могут реагировать только с чистым кислородом и только при очень высокой температуре.

Аморфный углерод, а также угля при обычной температуре достаточно инертны, но при сильном нагревании их активность резко возрастает и углерод непосредственно соединяется со многими элементами. Так, при нагревании на воздухе угля горит, образуя диоксид углерода :

  • C + O 2 = CO 2

При недостаточном доступе кислорода воздуха он частично сгорает до монооксида углерода CO, в котором углерод двухвалентный:

  • 2C + O 2 = 2CO

Когда через раскаленные угли пропускать пары серы, то образуется сероуглерод :

  • C + 2S = CS 2

При высокой температуре угля достаточно сильный восстановитель. Оно отнимает кислород от окислов многих металлов. Например:

  • 2CuO + C = 2Cu + CO 2

Через эту способность, уголь широко применяют в металлургии для получения металлов из руд.

Степени окисления +4, -4, редко +2 (С, карбиды металлов), +3 (C 2 N 2, галогенцианы) сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С 0 до С 4 + соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.


4.1. Органические соединения

Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических. Крупнейшие группы: углеводороды, белки, жиры и др..

5. Распространение

Углерод в природе встречается как в свободном состоянии ( алмаз, графит, карбина и лонсдейлит, фуллерен, углеродные нанотрубки), так и в виде различных соединений. Среднее содержание углерода в земной коре 2,3 10 -2% (масс) основная масса углерода концентрируется в осадочных горных породах. Углерод накапливается в верхней части земной коры, где его присутствие связано в основном с живым веществом, каменным углем, нефтью, антрацитом, а также доломитами и известняками. Известно более 100 минералов углерода, среди которых наиболее распространены карбонаты кальция, магния и железа. Он входит в состав каменного угля, нефти и природного газа, а также различных минералов: мрамора, мела и известняка - CaCO 3, доломита - CaCO 3 MgCO 3, магнезита - MgCO 3, малахита - CuCO 3 Cu (OH) 2 и т.д..

Важную роль углерод играет в космосе, на Солнце углерод занимает 4-е место по распространенности после водорода, гелия и кислорода, ядра углерода участвуют в процессах нуклеосинтеза ( углеродно-азотный цикл, тройная α-реакция).

Большинство соединений углерода, и прежде углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существование огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твердый углерод (≈ 25%), так и значительные количества оксида кремния (≈ 35%).


6. Биологическая роль

Соединения углерода является основой всех растительных и животных организмов.

7. Применение

Древесный уголь обладает способностью адсорбировать (поглощать) на своей поверхности различные газы и некоторые вещества из растворов. Адсорбция происходит поверхностью угля, поэтому оно способно поглощать (адсорбировать) тем большее количество веществ, чем больше его суммарная поверхность, т.е. чем больше оно дробленые или пористое. Пористость, а вместе с тем и адсорбционная способность древесного угля резко увеличивается при предварительном нагреве в струе водяного пара. При этом поры угля очищаются от смолистых веществ и его внутренняя поверхность очень увеличивается. Такой уголь называется активированным.

Активированный древесный уголь широко используется в сахарном производстве для очистки сахарного сиропа от примесей, оказывающих ему желтой окраски, в спиртовом производстве для очистки винного спирта от сивушных масел, в некоторых производствах для улавливания паров ценных летучих веществ - бензина, эфира, сероуглерода, бензола и др. с последующим удалением при нагревании.

В первую мировую войну активированный уголь по предложению академика Н.Д.Зелинского был применен в противогазах для защиты органов дыхания от отравляющих газов, в частности от хлора, который немцы применили в 1915 г. против французских войск. Активированный уголь как адсорбент применяется и в современных противогазах.

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют как смазка при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы - бриллианты используются как драгоценные каменно в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт / м К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов / грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода - производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведение из организма различных токсинов графит (в виде мазей) - для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода - для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Источником углерода для живых организмов обычно СО 2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым приобретают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, или захоронением в виде угля или нефти.


8. Токсическое действие

Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания - в основном антракоз и пылевой бронхит.

Токсическое действие 14 С, который вошел в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется его радиационным взаимодействием β-частицами (14 С (β) → 14 N), что приводит к изменению химического состава молекулы.


9. Поглощение углерода

Конечно касается поглощения углерода (в виде углекислого газа) из атмосферы такими поглотителями, как океаны, леса или почвы, содержащие углерод вне атмосферой.

См.. также

Источники

  • Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет - М.: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968.
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
  • Саранчук В.И. и др. Углерод: неизвестное об известна. - Донецк: УК Центр, 2006.
  • Бухаркина Т.В. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов / Т.В. Бухаркина, Н.Г. Дигуров. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1999. - 195 с. - ISBN 5-7237-0139-8
  • Ола Д.А. Химия гиперкоординированного углерода = Hupercarbon chemistry / Ола Дж., Пракаш г.к.с., Уильямс Р.Е. и др. Перевод с англ. В.И. Минкина. - М.: Мир, 1990. - 336 с. - ISBN 5-03-001451-9
п о р Неорганические соединения углерода

CCl 4 CF CF 4 CI 4 CO CO 2 CO 3 CS CS 2 CSe 2 C 3 O 2


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам