Какие есть физические свойства у углерода

Углерод – это, наверное, один из самых впечатляющих элементов химии на нашей планете, который обладает уникальной способностью образовывать огромное множество различных органических и неорганических связей.

Одним словом, углеродные соединения, которые обладают уникальными характеристиками – основа жизни на нашей планете.

…

Что такое углерод

В химической таблице Д.И. Менделеева углерод находится под шестым номером, входит в 14 группу и носит обозначение «С».

Физические свойства

Это водородное соединение, входящее в группу биологических молекул, молярная масса и молекулярная масса которого – 12,011, температура плавления составляет 3550 градусов.

Степень окисления данного элемента может быть: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, а плотность составляет 2,25 г/см3.

В агрегатном состоянии углерод — твердое вещество, а кристаллическая решетка — атомная.

Углерод имеет следующие аллотропные модификации:

• алмаз;
• графит;
• фуллерен;
• карбин.

Строение атома

Атом вещества имеет электронную конфигурацию вида — 1S22S22P2. На внешнем уровне у атома 4 электрона, находящиеся на двух разных орбиталях.

Если же брать возбужденное состояние элемента, то его конфигурация становится 1S22S12P3.

К тому же атом вещества может быть первичным, вторичным, третичным и четвертичным.

Химические свойства

Пребывая в нормальных условиях, элемент инертен и во взаимодействие с металлами и неметаллами вступает при повышенных температурах:

• взаимодействует с металлами, вследствие чего образуются карбиды;
• вступает в реакцию с фтором (галоген);
• при повышенных температурах взаимодействует с водородом и серой;
• при повышении температуры обеспечивает восстановление металлов и неметаллов из оксидов;
• при 1000 градусах вступает во взаимодействие с водой;
• при повышении температуры горит.

Получение углерода

Углерод в природе можно найти в виде черного графита либо же, что очень редко, в виде алмаза. Ненатуральный графит получают с помощью реакции кокса с кремнеземом.

А ненатуральные алмазы получают, применяя тепло и давление вместе с катализаторами. Так металл расплавляется, а получившийся алмаз выходит в виде осадка.

Добавление азота приводит к получению желтоватых алмазов, а бора – голубоватых.

История открытия

Углерод использовался людьми с давних времен. Грекам был известен графит и уголь, а алмазы впервые нашлись в Индии. К слову, в качестве графита люди часто принимали схожие по виду соединения. Но даже несмотря на это, графит широко использовался для письма, ведь даже слово «графо» с греческого языка переводится как «пишу».

В настоящее время графит используется так же в письме, в частности его можно встретить в карандашах. В начале 18 века в Бразилии началась торговля алмазами, были открыты многие месторождения, а уже во второй половине 20 века люди научились получать ненатуральные драгоценные камни.

На настоящий момент ненатуральные алмазы используются в промышленности, а настоящие – в ювелирной сфере.

Роль углерода в организме человека

В тело человека углерод попадает вместе с пищей, в течение суток – 300 г. А общее количество вещества в человеческом организме составляет 21% от массы тела.

Из данного элемента состоят на 2/3 мышцы и 1/3 костей. А выводится из тела газ вместе с выдыхаемым воздухом либо же с мочевиной.

Стоит отметить: без этого вещества жизнь на Земле невозможна, ведь углерод составляет связи, помогающие организму бороться с губительным влиянием окружающего мира.

Таким образом, элемент способен составлять продолжительные цепи либо же кольца атомов, которые представляют собой основу для множества других важных связей.

Нахождение в природе углерода

Элемент и его соединения можно встретить повсюду. В первую очередь отметим, что вещество составляет 0,032% от общего количества земной коры.

Одиночный элемент можно встретить в каменном угле. А кристаллический элемент находится в аллотропных модификациях. Также в воздухе постоянно растет количество углекислого газа.

Большую концентрацию элемента в окружающей среде можно встретить в качестве соединений с различными элементами. Например, двуокись углерода содержится в воздухе в количестве 0,03%. В таких минералах как известняк или же мрамор, содержатся карбонаты.

Все живые организмы несут в себе соединения углерода с иными элементами. К тому же остатки живых организмов становятся такими отложениями, как нефть, битум.

Применение углерода

Соединения этого элемента широко используются во всех сферах нашей жизни и перечислять их можно бесконечно долго, поэтому мы укажем несколько из них:

• графит используется в грифелях карандашей и изготовлении электродов;
• алмазы нашли свое широкое применение в ювелирной сфере и в буровом деле;
• углерод используют как восстановитель для выведения таких элементов, как железная руда и кремний;
• активированный уголь, состоящий в основном из этого элемента, широко используется в медицинской области, промышленности и в быту.

Таблица

       
=>>

v

:
src=”” width=160 height=132 border=0>

История открытия:

Углерод известен с глубокой древности.
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. В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом “углетвор” (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод. Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo — уголь.

Получение:

Неполное сжигание метана : СН4 + О2 = С + 2Н2О (сажа);

Сухая перегонка древесины, каменного угля (древесный уголь, кокс).

Физические свойства:

Известны несколько кристаллических модификаций углерода: графит,алмаз, карбин, графен.
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. При
атмосферном давлении и температуре около 3700°С графит возгоняется.
Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м2 (1051
кгс/см2) и температурах выше 3700°С. Cтруктура мелкокристаллического
графита лежит в основе строения “аморфного” углерода, который не представляет собой самостоятельной модификации (кокс, сажа, древесный уголь). Нагревание некоторых разновидностей “аморфного” углерода выше
1500-1600°С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит.
Физические свойства “аморфного” углерода очень сильно зависят от
дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость,
теплопроводность и электропроводность “аморфного” углерода всегда выше,
чем графита.

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 1400°С в вакууме или в инертной атмосфере.

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.

Графен – мономолекулярный слой (слой, толщиной в одну молекулу) атомов углерода, которые плотно упакованы в двухмерную решетку, по форме напоминающую пчелиные соты. Графен был впервые получен и исследован Александром Геймом и Константином Новоселовым, которые стали за это открытие лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года.

Химические свойства:

Углерод малоактивен, на холоду реагирует только с F2 (образуя CF4). При нагревании реагирует со многими неметаллами и сложными веществами, проявляя восстановительные свойства:
CO2 + C = CO выше 900°С
2H2O + C = CO2 + H2 выше 1000°С или H2O + C = CO + H2 выше 1200°С
CuO + C = Cu + CO

HNO3 + 3C = 3 CO2 + 4 NO + 2 H2O
Слабые окислительные свойства проявляются в реакциях с металлами, водородом

Ca + С = CaС2 карбид кальция
Si + С = CSi карборунд
CaO + C = CaC2 + CO

Важнейшие соединения:

Оксиды СО, СО2
Угольная кислота Н2СО3, карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк),
Карбиды СаС2
Органические вещества, например углеводороды, белки, жиры

Применение:

Графит используется в карандашной промышленности, также исполузется как смазка при особо высоких или низких температурах. Алмаз используется в качестве абразивного материала, драгоценных камней в ювелирных украшениях . Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. В фармакологии и медицине используются соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и др. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ). Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Карпенко Д.
ХФ ТюмГУ 561гр.

Источники:
Углерод // Википедия. Дата обновления: 18.01.2019. URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=97565890 (дата обращения: 04.02.2019).

147N + 10n = 146C + 11H.

Углерод расположен в группе IVA, во втором периоде периодической системы. Конфигурация внешнего электронного слоя атома в основном состоянии 2s2p2. Важнейшие степени окисления +2 +4, –4, валентности IV и II. Радиус нейтрального атома углерода 0, 077 нм. Радиус иона C4+ 0, 029 нм (координационное число 4), 0, 030 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны 11, 260, 24, 382, 47, 883, 64, 492 и 392, 09 эВ. Электроотрицательность по Полингу 2, 5.

Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь использовали для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. В 1789 французский химик А.Л. Лавуазье сделал вывод об элементарной природе углерода. Искусственные алмазы впервые были получены в 1953 шведскими исследователями, но результаты они не успели опубликовать. В декабре 1954 искусственные алмазы получили, а в начале 1955 опубликовали результаты сотрудники компании «Дженерал электрик».

В СССР искусственные алмазы впервые были получены в 1960 группой ученых под руководством В. Н. Бакуля и Л. Ф. Верещагина. В 1961 группой советских химиков под руководством В. В. Коршака была синтезирована линейная модификация углерода — карбин. Вскоре карбин был обнаружен в метеоритном кратере Рис (Германия). В 1969 в СССР были синтезированы нитевидные кристаллы алмаза при обычном давлении, обладающие высокой прочностью и практически лишенные дефектов. В 1985 Г. Крото обнаружил новую форму углерода —фуллерены С60 и С70 в масс-спектре испаряемого при облучении лазером графита. При высоких давлениях получен лонсдейлит.

Содержание в земной коре 0, 48% по массе. Накапливается в биосфере: в живом веществе 18% угля, в древесине 50%, торфе 62%, природных горючих газах 75%, горючих сланцах 78%, каменном и буром угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть угля литосферы сосредоточена в известняках и доломитах. Углерод в степени окисления +4 входит в состав карбонатных пород и минералов (мел, известняк, мрамор, доломиты). Углекислый газ CO2 (0, 046% по массе) постоянный компонент атмосферного воздуха. Углекислый газ в растворенном виде всегда присутствует в воде рек, озер и морей. В атмосфере звезд, планет и в метеоритах обнаружены вещества, содержащие углерод.

С древности уголь получали при неполном сгорании древесины. В 19 веке древесный уголь в металлургии заменили каменным углем (коксом). В настоящее время для промышленного получения чистого углерода используют крекинг природного газа метана СН4:

СН4 = С + 2Н2

Уголь для медицинских целей готовят сжиганием кожуры кокосовых орехов. Для лабораторных нужд чистый уголь, не содержащий несгораемых примесей, получают неполным сжиганием сахара.

Углерод — неметалл. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой, образуя объемные структуры, слои, цепи, циклы. Известны четыре аллотропические модификации углерода: алмаз, графит, карбин и фуллерит. Древесный уголь состоит из мельчайших кристалликов с неупорядоченной структурой графита. Его плотность 1, 8-2, 1 г/см3 . Сажа представляет собой сильно измельченный графит.

Алмаз — минерал с кубической гранецентрированной решеткой. Атомы С в алмазе находятся в sp3-гибридизованном состоянии. Каждый атом образует 4 ковалентные s-связи с четырьмя соседними атомами С, расположенными по вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом С. Расстояния между атомами в тетраэдре 0, 154 нм. Электронная проводимость отсутствует, ширина запрещенной зоны 5, 7 эВ. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. Его плотность 3, 51 г/см3.. Твердость по минералогической шкале Мооса принята за 10. Алмаз можно поцарапать только другим алмазом; но он хрупок и при ударе раскалывается на куски неправильной формы. Термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях. Однако, при 1800 °C превращение алмаза в графит происходит быстро. Обратное превращение графита в алмаз происходит при 2700°C и давлении 11-12 ГПа.

Графит — слоистое темно-серое вещество с гексагональной кристаллической решеткой. Термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений. Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками из атомов С. Углеродные атомы каждого слоя расположены против центров шестиугольников, находящихся в соседних слоях; положение слоев повторяется через один, а каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0, 1418 нм. Внутри слоя связи между атомами ковалентные, образованы sp2-гибридными орбиталями. Связи между слоями осуществляются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому графит легко расслаивается. Такое состояние стабилизирует четвертая делокализованная π-связь. Графит обладает хорошей электрической проводимостью. Плотность графита 2, 1-2, 5 кг/дм3.

Во всех аллотропических модификациях при обычных условиях углерод химически малоактивен. В химические реакции вступает только при нагревании. При этом химическая активность углерода убывает в ряду сажа—древесный уголь—графит—алмаз. Сажа на воздухе воспламеняется при нагревании до 300°C, алмаз — при 850-1000°C. При горении образуется углекислый газ СО2 и CO. Нагревая СО2 с углем, также получают оксид углерода (II) CО:

СО2+ С = 2СО

С + Н2О (перегретый пар) = СО +Н2

Синтезирован оксид углерода С2О3. СО2 — кислотный оксид, ему отвечает слабая неустойчивая, существующая только в сильно разбавленных холодных водных растворах угольная кислота Н2СО3. Соли угольной кислоты — карбонаты (К2СО3, СаСО3) и гидрокарбонаты (NaHCO3, Са(НСО3)2).

С водородом графит и древесный уголь реагируют при температуре выше 1200°C, образуя смесь углеводородов. Реагируя со фтором при 900°C, образует смесь фторуглеродных соединений. Пропуская электрический разряд между угольными электродами в атмосфере азота, получают газ циан (CN)2; если в газовой смеси присутствует водород, образуется синильная кислота HCN. При очень высоких температурах графит реагирует с серой, кремнием, бором, образуя карбиды — CS2, SiC, В4С.

Карбиды получают взаимодействием графита с металлами при высоких температурах: карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, карбид магния Mg2C3, карбид алюминия Al4C3. Эти карбиды легко разлагаются водой на гидроксид металла и соответствующий углеводород:

Al4C3 + 12Н2О = 4Al(ОН)3 + 3СН4

С переходными металлами углерод образует металлоподобные химически стойкие карбиды, например, карбид железа (цементит) Fe3C, карбид хрома Cr2C3, карбид вольфрама WС. Карбиды — кристаллические вещества, природа химической связи может быть различной. При нагревании уголь восстанавливает многие металлы из их оксидов:

FeO + C = Fe + CO,

2CuO+ C = 2Cu+ CO2

При нагревании восстанавливает серу(VI) до серы(IV) из концентрированной серной кислотой:

2H2SO4+ C = CO2+ 2SO2+ 2H2O

При 3500°C и нормальном давлении углерод сублимирует.

Свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического и нефтехимического синтеза, для получения пластмасс.

Углерод — важнейший биогенный элемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет 34, 5-40% у водных растений и животных, 45, 4-46, 5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2. Углекислый газ, растворенный в биологических жидкостях и природных водах, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды. В составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе. При различных производственных процессах частицы угля, сажи, графита, алмаза попадают в атмосферу и находятся в ней в виде аэрозолей. ПДК для углеродной пыли в рабочих помещениях 4, 0 мг/м3, для каменного угля 10 мг/м3.

• Сюняев З. И. Нефтяной углерод. М., 1980.
• Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990.
• Углерод в лесном фонде и сельскохозяйственных угодьях России. – Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2005.
• Морган Ричард. Видоизмененный углерод. – М.: АСТ: Люкс, 2005.
• Углерод: минералогия, геохимия и космохимия. – Сыктывкар: Геопринт, 2003.
• Фиалков А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. – М.: Аспект-пресс, 1997.
• Фенелонов В. Б. Пористый углерод. – Новосибирск: Ин-т катализа, 1995.