В каких веществах содержится углерод

В природе углерода не так уж и много, но он есть везде: в воздухе (углекислый газ и угарный газ), растворен в океанах и реках, залегает в ископаемых породах в земле, содержится в каждой клетке растения, животного, человека. Существует круговорот углерода в природе:
— углекислый газ выделяется в атмосферу с вулканическими газами, из горячих источников, из поверхностных слоев рек и океанов, при сгорании топлив, при дыхании растений и животных;
— в тоже время, углекислый газ поглощается растениями, переходит в организм животных и людей, а после их смерти возвращается в почву.

В чистом виде и в значимых количествах углерод встречается только в виде алмазов и графитов. Но он — составная часть ископаемого топлива (уголь, нефть, газ, сланцы), торфа, битумов, природных минералов (мел, известняк, доломиты, карбонаты).

Токсическое действие

При разработках угольных месторождений, при сжигании топлив, в процессе деятельности человека в воздух поступает большое количество аэрозолей углерода, попадающих в органы дыхания человека и животных. Регулярное вдыхание аэрозолей с высокой концентрацией углерода приводят к таким заболеваниям, как пылевой бронхит, антракоз. На всех производствах, связанных с углеродными аэрозолями и пылью, обязательно нормируется ПДК содержания алмазов, кокса, угля, углеродной пыли, сажи и др. Работники обязательно должны использовать средства защиты органов дыхания при работе с ними.

Угарный газ и углекислый газ обладают токсическим действием, превышение ПДК этих газов в воздухе может вызвать летальный исход. Поэтому в закрытых помещениях большое внимание должно уделяться поглощению и удалению из воздуха углекислоты, выделяемой при дыхании.

Токсическим действием обладает радиоактивный изотоп С-14. Встраиваясь в молекулы белков, особенно в ДНК и РНК, он может оказывать мутагенное воздействие, поэтому для него тоже установлены ПДК содержания в воздухе рабочего помещения.

Применение

Нет ни одной области промышленности, в которой в той или иной степени не использовался бы углерод. Расскажем об основных сферах его использования:

• Основные виды ископаемого топлива на земле: нефть, уголь и газ — это соединения углерода. Они нужны для получения тепла, энергии, огромного количества химических материалов.
• В сельском хозяйстве, в медицине, энергетике, в ядерной отрасли.
• В промышленной индустрии очень востребованы карбонаты.
• Графит используется при изготовлении карандашей, электродов, высокотемпературных и низкотемпературных смазок, красителей; тиглей для металлических заготовок, углепластиков, углеродных волокон, стеклоуглерода и других углеграфитовых материалов, отличающихся особо высокой жаростойкостью.
• Стеклоуглерод идет на производство тиглей и электродов.
• Техуглерод применяется как наполнитель при производстве резин для шин и пластмасс. Придает им прочность, долговечность и некоторые особые свойства.
• Алмазы применяются в технике, сверлении, лазерных установках, в ювелирном деле. Технические алмазы используются для получения абразивных материалов. Только сложность обработки и высокая стоимость мешают алмазам стать лучшим материалом для подложек процессоров.
• В медицине используется активированный уголь для вывода токсинов, а графит — в мазях для лечения болезней кожи.
• Фильтры на основе угля применяются в противогазах, респираторах, лицевых масках и сменных патронах для них; системах очистки воды.
• В научных исследованиях радиоуглеродный анализ на основе изотопа С-14 — один из самых важных анализов в археологии, геологии, палеонтологии.   
• Большие перспективы у применения новых неорганических материалов на основе углерода. Об этом — следующая статья.

Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.

История открытия углерода

На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.

Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.

Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.

Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.

Углерод в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.

Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:

• Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12С (98,892%) и 13С (1,108%)
• Помимо этого известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14С с периодом полураспада 5,73*103 лет в небольших количествах образуется в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.

Строение атома углерода

Атом углерода имеет 2 оболочки (как впрочем, и все элементы, расположенные во втором периоде) и 6 электронов: 1s22s22p2. Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных p-орбиталях, при этом они являются неспаренными.

Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.

Физические свойства углерода

Своими физическими свойствами углерод типичный неметалл. При этом он образует множество аллотропных модификаций («аллотропные» означает существование двух и более разных веществ из одного химического элемента): наиболее популярными из них являются алмаз, графит, уголь, сажа. При этом алмаз – одно из самых твердых веществ, представляющих углерод.

Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.

Химические свойства углерода

В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:

— с кислородом
C0 + O2  –t°=  CO2 углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C0 + O2  –t°= 2C+2O угарный газ

— со фтором
С + 2F2 = CF4

— с водяным паром
C0 + H2O  –1200°= С+2O + H2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C0 + 2CuO  –t°=  2Cu + C+4O2

— с кислотами – окислителями:
C0 + 2H2SO4(конц.) = С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O
С0 + 4HNO3(конц.) = С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S2 = СS2.

Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:

4Al + 3C0 = Al4C3

Ca + 2C0 = CaC2-4

Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:

C0 + 2H2 = CH4

Углерод в природе

В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.

Применение углерода

Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Savvatimskiy, A (2005). “Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon. 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027
• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
• ChemNet. Углерод: история открытия элемента.
• Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах (рус.) // Успехи химии. — Российская академия наук, 1939. — Вып. 8. — С. 1519—1534.
• Seal M. The effect of surface orientation on the graphitization of diamond. // Phis. Stat. Sol., 1963, v. 3, p. 658.

Углерод, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

углерод в природе это может быть найдено в алмазах, нефти и граффити, среди многих других сценариев. Этот химический элемент занимает шестое место в периодической таблице и находится в горизонтальном ряду или периоде 2 и столбце 14. Он неметаллический и четырехвалентный; то есть вы можете установить 4 химические связи общих электронов или ковалентных связей.

Углерод – это элемент с наибольшим изобилием в земной коре. Это изобилие, его уникальное разнообразие в образовании органических соединений и его исключительная способность образовывать макромолекулы или полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, делают его общим элементом всех известных форм жизни.

Углерод существует в природе как химический элемент без объединения в форме графита и алмаза. Тем не менее, по большей части он объединяется с образованием химических соединений углерода, таких как карбонат кальция (CaCO).3) и другие соединения в нефти и природном газе.

Он также образует несколько минералов, таких как антрацит, уголь, лигнит и торф. Наибольшее значение углерода заключается в том, что он представляет собой так называемый «строительный блок жизни» и присутствует во всех живых организмах..

индекс

• 1 Где находится углерод и в какой форме?
  • 1.1 Кристаллические формы
  • 1.2 Аморфные формы
  • 1.3 Нефть, природный газ и битум
• 2 Физические и химические свойства
  • 2.1 Химический символ
  • 2.2 Атомный номер
  • 2.3 Физическое состояние
  • 2,4 Цвет
  • 2.5 Атомная масса
  • 2.6 Точка плавления
  • 2.7 Точка кипения
  • 2.8 Плотность
  • 2.9 Растворимость
  • 2.10 Электронная конфигурация
  • 2.11 Количество электронов во внешнем или валентном слое
  • 2.12 Емкость канала
  • 2.13 Катенасьон
• 3 Биогеохимический цикл
  • 3.1 Фотосинтез
  • 3.2 Дыхание и разложение
  • 3.3 Геологические процессы
  • 3.4 Вмешательство человеческой деятельности
• 4 использования
  • 4.1 Нефть и природный газ
  • 4.2 Графит
  • 4.3 Алмаз
  • 4.4 Антрацит
  • 4.5 каменный уголь
  • 4.6 лигнит
  • 4.7 Торф
• 5 ссылок

Где находится углерод и в какой форме?

Помимо того, что он является химическим компонентом, общим для всех форм жизни, углерод в природе присутствует в трех кристаллических формах: алмаз, графит и фуллерен..

Есть также несколько аморфных минеральных форм угля (антрацит, лигнит, уголь, торф), жидких форм (разновидности масел) и соды (природный газ)..

Кристаллические формы

В кристаллических формах атомы углерода объединяются, образуя упорядоченные структуры с геометрическим пространственным расположением.

графит

Это мягкий сплошной черный цвет с блеском или металлическим блеском теплостойким (огнеупорным). Его кристаллическая структура представляет собой атомы углерода, соединенные в гексагональные кольца, которые, в свою очередь, соединяются вместе, образуя листы.

Месторождения графита редки и были обнаружены в Китае, Индии, Бразилии, Северной Корее и Канаде..

бриллиант

Это очень твердое твердое вещество, прозрачное для прохождения света и намного более плотное, чем графит: значение плотности алмаза эквивалентно почти в два раза больше, чем у графита.

Атомы углерода в алмазе соединяются в тетраэдрической геометрии. Аналогично, алмаз сформирован из графита, подвергнутого условиям очень высоких температур и давлений (3000 °С и 100 000 атм).

Большая часть алмазов находится на глубине от 140 до 190 км в мантии. Через глубокие извержения вулканов магма может переносить их на расстояния, близкие к поверхности.

Алмазные месторождения имеются в Африке (Намибия, Гана, Демократическая Республика Конго, Сьерра-Леоне и Южная Африка), Америке (Бразилия, Колумбия, Венесуэла, Гайана, Перу), Океании (Австралия) и Азии (Индия)..

фуллерены

Это молекулярные формы углерода, которые образуют кластеры из 60 и 70 атомов углерода в почти сферических молекулах, похожих на футбольные мячи.

Есть также фуллерены, меньшие, чем 20 атомов углерода. Некоторые формы фуллеренов включают углеродные нанотрубки и углеродные волокна.

Аморфные формы

В аморфных формах атомы углерода не объединяются, образуя упорядоченную и правильную кристаллическую структуру. Вместо этого они даже содержат примеси от других элементов.

антрацит

Это самый старый метаморфический минеральный уголь (который происходит от модификации горных пород под воздействием температуры, давления или химического воздействия жидкостей), поскольку его образование относится к первичной или палеозойской эре, каменноугольному периоду..

Антрацит – это аморфная форма углерода, в которой содержание этого элемента выше: от 86 до 95%. Серо-черный и металлический глянец, тяжелый и компактный.

Как правило, антрацит находится в зонах геологической деформации и составляет приблизительно 1% мировых запасов угля..

Географически он встречается в Канаде, США, Южной Африке, Франции, Великобритании, Германии, России, Китае, Австралии и Колумбии..

Каменный уголь

Это минеральный уголь, осадочная порода органического происхождения, образование которой относится к эпохам палеозоя и мезозоя. Содержание углерода составляет от 75 до 85%..

Это черный, он характеризуется непрозрачностью и имеет матовый и жирный вид, так как он содержит большое количество битумных веществ. Образуется при сжатии лигнита в палеозойскую эру, в каменноугольный и пермский периоды..

Это самая распространенная форма угля на планете. В Соединенных Штатах, Великобритании, Германии, России и Китае имеются крупные месторождения угля..

бурый уголь

Это ископаемый минеральный уголь, образовавшийся в третичном возрасте из торфа при сжатии (высокие давления). Он имеет более низкое содержание углерода, чем уголь, от 70 до 80%.

Это немного компактный материал, рассыпчатый (характеристика, которая отличает его от других углеродных минералов), коричневый или черный. Его текстура похожа на древесину, а содержание углерода колеблется от 60 до 75%..

Это топливо с легким воспламенением, с низкой теплотворной способностью и более низким содержанием воды, чем торф.

В Германии, России, Чехии, Италии (в регионах Венето, Тоскана, Умбрия) и Сардинии имеются важные шахты с бурым углем. В Испании месторождения лигнита находятся в Астурии, Андорре, Сарагосе и Ла-Корунья.

торф

Это материал органического происхождения, образование которого происходит из четвертичной эры, гораздо более поздней, чем предыдущие угли..

Это коричневато-желтый цвет и выглядит как губчатая масса низкой плотности, в которой вы можете увидеть остатки растений от того места, где они произошли.

В отличие от перечисленных выше углей, торф не происходит в результате процессов карбонизации древесного материала или дерева, а образуется в результате скопления растений – в основном трав и мхов – в болотистых районах в результате процесса карбонизации, который еще не завершен..

Торф имеет высокое содержание воды; по этой причине требует использования сушки и уплотнения перед использованием.

Имеет низкое содержание углерода (всего 55%); следовательно, он имеет низкую энергетическую ценность. Когда он подвергается сгоранию, его остаток золы в изобилии и выделяет много дыма.

Существуют важные месторождения торфа в Чили, Аргентине (Огненная Земля), Испании (Эспиноса-де-Серрато, Паленсия), Германии, Дании, Голландии, России, Франции..

Нефть, природный газ и битум

Масло (с латыни Petrae, что означает “камень”; и олеум, что означает «нефть»: «каменная нефть») представляет собой смесь многих органических соединений – большинства углеводородов, – образующихся в результате анаэробного бактериального разложения (в отсутствие кислорода) органического вещества..

Он образовался в недрах, на больших глубинах и в особых условиях, как физических (высокие давления и температуры), так и химических (присутствие определенных каталитических соединений) в процессе, который занял миллионы лет.

Во время этого процесса C и H высвобождались из органических тканей и снова объединялись, образуя огромное количество углеводородов, которые смешиваются в соответствии с их свойствами, образуя природный газ, нефть и битум..

Нефтяные месторождения планеты расположены в основном в Венесуэле, Саудовской Аравии, Ираке, Иране, Кувейте, Объединенных Арабских Эмиратах, России, Ливии, Нигерии и Канаде..

Есть запасы природного газа в России, Иране, Венесуэле, Катаре, Соединенных Штатах, Саудовской Аравии и Объединенных Арабских Эмиратах, среди других..

Физико-химические свойства

Среди свойств углерода можно отметить следующие:

Химический символ

С.

Атомный номер

6.

Физическое состояние

Твердый, при нормальных условиях давления и температуры (1 атмосфера и 25 °C).

цвет

Серый (графит) и прозрачный (алмаз).

Атомная масса

12,011 г / моль.

Точка плавления

500 °С.

Точка кипения

+827 °С.

плотность

2,62 г / см3.

растворимость

Нерастворим в воде, растворим в четыреххлористом углероде CCl4.

Электронная конфигурация

1s2 2s2 2р2.

Количество электронов во внешнем слое или валентности

4.

Пропускная способность

4.

сцепление

Обладает способностью образовывать химические соединения в длинных цепях..

Биогеохимический цикл

Углеродный цикл представляет собой круговой биогеохимический процесс, посредством которого углерод может обмениваться между биосферой, атмосферой, гидросферой и земной литосферой..

Знание этого циклического углеродного процесса на Земле позволяет продемонстрировать действия человека в этом цикле и его последствия для глобального изменения климата..

Углерод может циркулировать между океанами и другими водоемами, а также между литосферой, почвой и недрами, атмосферой и биосферой. В атмосфере и гидросфере углерод существует в газообразной форме в виде СО2 (углекислый газ).

фотосинтез

Углерод в атмосфере поглощается наземными и водными организмами экосистем (фотосинтезирующими организмами)..

Фотосинтез позволяет химической реакции между СО происходить2 и вода, опосредованная солнечной энергией и хлорофиллом из растений, для производства углеводов или сахаров. Этот процесс превращает простые молекулы с низким содержанием энергии CO2, H2O и кислород O2, в сложных молекулярных формах высокой энергии, которые являются сахарами.

Гетеротрофные организмы, которые не могут осуществлять фотосинтез и являются потребителями в экосистемах, получают углерод и энергию при питании самих производителей и других потребителей..

Дыхание и разложение

Дыхание и разложение – это биологические процессы, которые выделяют углерод в окружающую среду в форме CO2 или СН4 (метан образуется при анаэробном разложении, то есть в отсутствие кислорода).

Геологические процессы

В результате геологических процессов и, как следствие, с течением времени, углерод анаэробного разложения может превращаться в ископаемое топливо, такое как нефть, природный газ и уголь. Кроме того, углерод также является частью других минералов и горных пород..

Вмешательство человеческой деятельности

Когда человек использует сжигание ископаемого топлива для получения энергии, углерод возвращается в атмосферу в виде огромных количеств СО2 которые не могут быть ассимилированы естественным биогеохимическим циклом углерода.

Это избыток СО2 вызванный деятельностью человека отрицательно влияет на баланс углеродного цикла и является основной причиной глобального потепления.

приложений

Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Наиболее выдающийся со следующим:

Нефть и природный газ

Основное экономическое использование углерода заключается в его использовании в качестве углеводородного ископаемого топлива, такого как газообразный метан и нефть..

Масло перегоняется на нефтеперерабатывающих заводах для получения различных производных, таких как бензин, дизельное топливо, керосин, асфальт, смазочные материалы, растворители и другие, которые, в свою очередь, используются в нефтехимической промышленности, которая производит сырье для пластмасс, удобрений, фармацевтической и лакокрасочной промышленности. среди прочих.

графит

Графит используется в следующих действиях:

– Используется при изготовлении карандашей, смешанных с глинами.

– Это часть производства огнеупорных кирпичей и тиглей, термостойких.

– В различных механических устройствах, таких как шайбы, подшипники, поршни и прокладки.

– Это отличная твердая смазка.

– Из-за его электрической проводимости и его химической инертности, он используется в производстве электродов, углей электродвигателей..

– Используется в качестве модератора на атомных электростанциях.

бриллиант

Алмаз обладает особенно исключительными физическими свойствами, такими как более высокая степень твердости и теплопроводность, известные до сих пор..

Эти особенности позволяют промышленное применение в инструментах, используемых для резки и полировки инструментов для их высокой абразивности.

Его оптические свойства, такие как прозрачность и способность расщеплять белый свет и преломлять свет, дают ему множество применений в оптических приборах, например, в производстве линз и призм..

Характерная яркость, полученная из его оптических свойств, также очень ценится в ювелирной промышленности..

антрацит

Антрацит с трудом поджигается, медленно горит и требует много кислорода. Его сгорание производит небольшое пламя бледно-синего цвета и выделяет много тепла.

Несколько лет назад антрацит использовался в термоэлектростанциях и для отопления домов. Его использование имеет такие преимущества, как производство небольшого количества золы или пыли, небольшое количество дыма и медленный процесс сгорания..

Из-за высокой экономической стоимости и дефицита антрацит был заменен природным газом на термоэлектростанциях и электроэнергией в домах..

Каменный уголь

Уголь используется в качестве сырья для получения:

– Кокс, топливо из доменных печей сталелитейных заводов.

– Креозот, полученный путем смешивания смолистых дистиллятов из каменного угля и используемый в качестве защитного герметика для древесины, подверженной атмосферным воздействиям.

– Крезол (химически метилфенол) извлекают из угля и используют в качестве дезинфицирующего и антисептического средства,

– Другие производные, такие как газ, смола или смола, а также соединения, используемые в производстве парфюмерии, инсектицидов, пластмасс, красок, шин и дорожных покрытий, среди прочих.

бурый уголь

Лигнит представляет собой топливо среднего качества. Струя, разновидность лигнита, характеризуется очень компактным из-за длительного процесса карбонизации и высокого давления и используется в ювелирном деле и украшении..

торф

Торф используется в следующих видах деятельности;

– Для роста, поддержки и транспорта видов растений.

– Как органическое удобрение.

– Как постель животных в конюшнях.

– Как топливо низкого качества.

ссылки

1. Барроуз А., Холман Дж., Парсонс А., Пиллинг Г. и Прайс Г. (2017). Химия3: Введение в неорганическую, органическую и физическую химию. Издательство Оксфордского университета.
2. Деминг А. (2010). Король стихий? Нанотехнологии. 21 (30): 300201. doi: 10.1088
3. Dienwiebel, M., Верхувен, G., Pradeep, N., Frenken, J., Heimberg, J. and Zandbergen, H. (2004). С