Вуглець

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Запит «Карбон» перенаправляє сюди; див. також інші значення.
Вуглець (6C)
Назва, символ, номер Вуглець, C, 6
Зовнішній вигляд простої речовини матово-чорний графіт або прозорий алмаз
Порівняння 1.31-каратного алмазу та шматочка чистого графіту — алотропних модифікацій вуглецю.
Емісійний спектр Лінійчатий спектр видимого випромінювання вуглецю
6 БорВуглецьАзот
C

Si
1 Водень 2 Гелій 3 Літій 4 Берилій 5 Бор 6 Вуглець 7 Азот 8 Кисень 9 Фтор 10 Неон 11 Натрій 12 Магній 13 Алюміній 14 Кремній 15 Фосфор 16 Сірка 17 Хлор 18 Аргон 19 Калій 20 Кальцій 21 Скандій 22 Титан 23 Ванадій 24 Хром 25 Манган 26 Залізо 27 Кобальт 28 Нікель 29 Мідь 30 Цинк 31 Галій 32 Германій 33 Арсен 34 Селен 35 Бром 36 Криптон 37 Рубідій 38 Стронцій 39 Ітрій 40 Цирконій 41 Ніобій 42 Молібден 43 Технецій 44 Рутеній 45 Родій 46 Паладій 47 Срібло 48 Кадмій 49 Індій 50 Олово 51 Стибій 52 Телур 53 Йод 54 Ксенон 55 Цезій 56 Барій 57 Лантан 58 Церій 59 Празеодим 60 Неодим 61 Прометій 62 Самарій 63 Європій 64 Гадоліній 65 Тербій 66 Диспрозій 67 Гольмій 68 Ербій 69 Тулій 70 Ітербій 71 Лютецій 72 Гафній 73 Тантал 74 Вольфрам 75 Реній 76 Осмій 77 Іридій 78 Платина 79 Золото 80 Ртуть 81 Талій 82 Свинець 83 Вісмут 84 Полоній 85 Астат 86 Радон 87 Францій 88 Радій 89 Актиній 90 Торій 91 Протактиній 92 Уран 93 Нептуній 94 Плутоній 95 Америцій 96 Кюрій 97 Берклій 98 Каліфорній 99 Ейнштейній 100 Фермій 101 Менделєвій 102 Нобелій 103 Лоуренсій 104 Резерфордій 105 Дубній 106 Сіборгій 107 Борій 108 Гасій 109 Мейтнерій 110 Дармштадтій 111 Рентгеній 112 Коперницій 113 Унунтрій 114 Флеровій 115 Унунпентій 116 Ліверморій 117 Унунсептій 118 УнуноктійПеріодична система елементів
6C
Гексагональна_примітивна сигонія вуглецю(графіт)
Схема електронних оболонок вуглецю :—2, 4
Група, період, блок група 14період 2p блок                   
Класифікація інший неметал
Алотропія графіт, алмаз
Властивості атома
Атомний номер 6
Атомна маса
(молярна маса)
12,0096; 12,0116[1][2] а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 91 пм
Рад. Ван дер Ваальса 170 пм
Електр. конфігурація

Електронні оболонки
Схема електронних оболонок вуглецю :—2, 4

[He] 2s2 2p2

2, 4
Хімічні властивості
Ковалентний радіус (sp3): 77; (sp2): 73; (sp): 69 пм
Іонний радіус (-4): 260; (+4): 16 пм
Електронегативність (за Полінгом): 2.55
Ступені окиснення −4[3]−3, −2, −1, 0, +1,[4] +2, +3,[5] +4
Енергія іонізації (1й e-): 1086.5 кДж/моль
(2й e-): 2352.6 кДж/моль
(3й e-): 4620.5 кДж/моль
Термодинамічні властивості
Густина (аморфний): 1.8–2.1 г/см³
(графіт): 2.267 г/см³
(алмаз): 3.515 г/см³
Сублімація 3915 K (3641.85°C)
Температура кипіння 5100 K (4826.85°C)
Потрійна точка 4600 K (4326.85°C), 10800[6][7] кПа
Теплота плавлення (графіт): 117 кДж/моль
Моляр. теплоємність (графіт): 8.517 Дж/(K·моль)
(алмаз): 6.155 Дж/(K·моль)
Молярний об'єм 5,3 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки
та
Період ґратки
гексагональна_примітивна сигонія вуглецю(графіт)
гексагональна примітивна
a=2,46; c=6,71 Å
(графіт)
 
кубічна_алмазна сигонія вуглецю(алмаз)
кубічна алмазна
а=3,567 Å
(алмаз)
Відношення c/a 2,73 (графіт)
Температура Дебая (алмаз): 1860 K (1587°C)
Інші характеристики
Магнітна структура діамагнетик[8]
Питомий опір (графіт): 7.837[9] Ом·м
Теплопровідність (графіт): 119–165 Вт/(м·К)
(алмаз): 900–2300 Вт/(м·К)
Теплове розширення (алмаз, 25°C): 0.8[10] мкм·м-1·К-1
Швидкість звуку (алмаз, 20°C): 18350 мс
Модуль Юнга (алмаз): 1050[10] ГПа
Модуль зсуву (алмаз): 478[10] ГПа
Модуль всебі. стиску (алмаз): 442[10] ГПа
Коефіцієнт Пуассона (алмаз): 0.1[10]
Твердість Мооса (графіт): 1-2
(алмаз): 10
Номер CAS 7440-44-0
Найдовгоживучиші ізотопи вуглецю
Ізт N ІП Сп ПН ФР ЕР (МеВ) ПР
11C 5 син 32- 20 хв β+;ε 0.96 11B
12C 6 98.9% 0+ 12C стабільний
13C 7 1.1% 12- 13C стабільний
14C 8 рідкий 0+ 5730 р β- 0.156 14N

Commons-logo.svgВуглець у Вікісховищі
6
Вуглець
C
12,011
2s22p2

Вугле́ць або карбо́н (хімічний символ — C, лат. Carboneum) — хімічний елемент з атомним номером 6, який належить до 14-ої групи (за старою класифікацією — головної підгрупи IV групи), 2-го періоду періодичної системи елементів, та являється представником поліатомних неметалів.

Простими речовинами вуглецю через його особливі хімічні властивості являються кілька алотропних модифікацій з власними назвами, з котрих найпоширенішими є: прозорий, дуже твердий алмаз; матово-чорний з металевим блиском, м'який графіт; мікропористе деревне вугілля; порошкоподібна сажа. І взагалі простої речовини під назвою вуглець не існує.

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

Історія[ред.ред. код]

Вуглець є одним з перших хімічних елементів, який відомий людині. У вигляді деревного вугілля він застосовувався в давнину для виплавки металів. Здавна відомі алотропні модифікації вуглецю — алмаз і графіт. Вуглець є одним з елементів, ім'я першовідкривача якого невідомо, невідомо й те, яка з форм елементарного вуглецю - алмаз або графіт - була відкрита раніше. І те й інше трапилося дуже давно, ще до виникнення письма.

Ідентифікація Карбону як хімічного елемента тісно пов'язана з розвитком уявлень про хімічну природу горіння. На рубежі XVII–XVIII ст. виникла теорія флогістону, висунута Йоганном Бехером і Георгом Шталем. Ця теорія визнавала наявність в кожному горючому тілі особливої елементарної речовини — невагомого флюїду — флогістону, що випаровується в процесі горіння. Оскільки при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи попелу, флогістики вважали, що вугілля — це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, «флогістувальну» дію вугілля, — його здатність відновлювати метали з «вапен» і руд. Пізніші флогістики, Реомюр, Бергман та інші, вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Проте, вперше «чисте вугілля» було визнане елементарним Антуаном Лавуазьє, який досліджував процес спалювання в повітрі та в кисні вугілля та інших речовин.

1791 року англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець, він пропускав випари фосфору над прожареною крейдою, в результаті чого утворювалися фосфат кальцію і вуглець. Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще 1751 року імператор Священної Римської імперії Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли в моду. Виявилося, що згорає лише алмаз, а рубін (окис алюмінію з домішкою хрому) витримує без пошкодження тривале нагрівання у фокусі запалювальної лінзи. Лавуазьє поставив новий досвід зі спалювання алмазу за допомогою великої запалювальної машини і прийшов до висновку, що алмаз є, насправді, кристалічним вуглецем. Другий алотроп вуглецю, графіт, в епоху розквіту алхімії не відрізняли від молібденіту, сульфіду свинцю галеніту і називали плюмбаго (plumbago) або чорним свинцем, однак аналіз Карла Вільгельма Шлеєле 1778–1779 років довів, що це різні мінерали. Будучи флогістиком, Шлеєле визнав графіт сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить пов'язану «повітряну кислоту» (СО2) і велику кількість флогістону.

Двадцять років по тому Гітон де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз в графіт, а потім у вугільну кислоту.

Походження назви[ред.ред. код]

У книзі Гітона де Морво, Лавуазьє, Бертолле та Фуркруа «Метод хімічної номенклатури» (1787) з'явилася назва «вуглець» (carbone) замість французького «чисте вугілля» (charbone pur). Під цією ж назвою вуглець фігурує в «Таблиці простих тіл» і в «Елементарному підручнику хімії» Лавуазьє. Латинська назва елементу Carboneum походить від слова з давнім походженням carbo — «вугілля». Традиційна українська назва хімічного елементу «вуглець» також пов'язана зі словом вугілля, а назва «карбон» це латинська версія рекомендована IUPAC.

Поширення[ред.ред. код]

Вуглець у природі зустрічається як у вільному стані (алмаз, графіт, карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки), так і у вигляді різноманітних сполук. Середній вміст вуглецю у земній корі 2,3×10−2 % (мас) (1×10-2 в ультраосновних, 1×10-2 — в основних, 2×10-2 — в середніх, 3×10-2 — в кислих гірських породах); основна маса вуглецю концентрується в осадових гірських породах. Накопичення вуглецю в основному відбувається у верхній частині земної кори, де його присутність пов'язана в основному з живою речовиною, природними карбонатами (доломітами і вапняками), паливними копалинами: антрацитом (94—97 % С), кам'яним вугіллям (76—95 % С), бурим вугіллям (64—80 % С), нафтою (82—87 % С), горючими сланцями (56—78 % С), торфом (53—56 % С), горючими природними газами (до 99 % метану) а також з бітумами та ін. Відомо понад 100 мінералів вуглецю, серед яких найпоширеніші карбонати кальцію, магнію та заліза. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку — CaCO3, доломіту — CaCO3·MgCO3, магнезиту — MgCO3, малахіту — CuCO3·Cu(OH)2 тощо. В атмосфері і гідросфері знаходиться у вигляді діоксиду вуглецю СО2, в повітрі 0,046% СО2 по масі, в водах річок, морів і океанів у ~ 60 разів більше.

Вуглець входить до складу рослин і тварин (~ 17,5%). В деревині 50%. В організм людини вуглець надходить з їжею (в нормі близько 300 г на добу). Загальний вміст вуглецю в організмі людини досягає близько 21% (15 кг на 70 кг маси тіла). Вуглець складає 2/3 маси м'язів і 1/3 маси кісткової тканини. Виводиться з організму переважно з повітрям, що видихається (вуглекислий газ) і сечею (сечовина).

Кругообіг вуглецю у природі

Кругообіг вуглецю в природі включає біологічний цикл, виділення СО2 в атмосферу з вулканічних газів, при згорянні викопного палива, гарячих мінеральних джерел, з поверхневих шарів океанічних вод, а також при диханні , бродінні, гнитті.

Біологічний цикл полягає в тому, що вуглець у вигляді СО2 поглинається з тропосфери рослинами в процесі фотосинтезу, а потім з біосфери він знову повертається в геосферу, частково через організми тварин і людини, і у вигляді СО2 — в атмосферу.

В газоподібному стані і у вигляді сполук з азотом і воднем вуглець виявлений в атмосфері Сонця, планет, він знайдений в кам'яних і залізних метеоритах.

На Сонці Карбон посідає 4-е місце за поширеністю після Гідрогену, Гелію та Оксигену.

Важливу роль Карбон відіграє в космосі — беручи участь у процесах нуклеосинтезу (вуглецево-азотний цикл, потрійна α-реакція).

У природі зустрічається мінерал шунгіт, в якому міститься як твердий вуглець (≈ 25%), так і значні кількості оксиду кремнію (≈ 35%).

Ізотопи[ред.ред. код]

Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів — 12С (98,93%) і 13С (1,07%) і одного радіоактивного ізотопу 14С (β--випромінювач з Т12 = 5730 років), зосередженого в атмосфері та верхній частині земної кори. Він постійно утворюється в нижніх шарах стратосфери в результаті бомбардування нейтронами космічного випромінювання ядер азоту за реакцією: 14N (n, p) 14C, а також, з середини 1950-х років, як техногенний продукт роботи АЕС і в результаті випробування водневих бомб.

На основі розпаду 14С заснований метод радіовуглецевого датування, що широко застосовується в археології та палеонтології. Він підходить для датування об'єктів, що мають вік приблизно до 60000 років.

Всього зареєстровано 15 різних ізотопів Карбону.

Утворення[ред.ред. код]

Утворення атома Карбону вимагає майже одночасного зіткнення трьох альфа-частинок, тобто ядер атома Гелію. Такий процес, відомий як потрійний альфа-процес, може відбуватися тільки в надрах зір-гігантів або надгігантів[11] з великою густиною та високою температурою (близько 100 тис. Кельвінів ). Щоб потрапити на Землю Карбон спочатку мав залишити материнську зорю, де він утворився (наприклад, унаслідок вибуху наднової) та потрапити до міжзоряного простору[12]. Зоряні системи третього покоління, до яких належить Сонячна система, утворювалися з міжзоряного середовища, яке було вже збагачене елементами, важчими за гелій.

Ядра Карбону відіграють також роль каталізатора в іншій термоядерній реакції — циклі Бете.

Алотропні модифікації[ред.ред. код]

Графітовий куб об'ємом 1 см3 зліва та шматок скловуглецю масою 570 г з права для порівняння

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.

Кристалічні форми[ред.ред. код]

Аморфні форми[ред.ред. код]

На практиці, як правило, перераховані вище аморфні форми є хімічними сполуками з високим вмістом вуглецю, а не чистою алотропною формою вуглецю.

Кластерні форми[ред.ред. код]

Алмаз[ред.ред. код]

Майже восьмигранний кристал алмазу в матриці.
Докладніше: 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.

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[ред.ред. код]

Докладніше: 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[ред.ред. код]

Докладніше: Графен

Графен за своєю будовою — двовимірна алотропна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю товщиною в один атом , з'єднаних за допомогою sp² зв'язків в гексагональну двовимірну кристалічну ґратку (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[ред.ред. код]

Докладніше: Карбін

Кристалічна модифікація вуглецю гексагональної сингонії з ланцюговою будовою молекул називається карбін. На вигляд дрібнокристалічний порошок чорного кольору (густина 1,9—2 г/см³). Карбін — лінійний полімер вуглецю. Кристалічна структура карбіну характеризується наявністю довгих ланцюжків із атомів вуглецю, розташованих паралельно. У молекулі карбіну атоми вуглецю з'єднані в ланцюжки по черзі чи потрійними і одинарними зв'язками (поліенова будова (-C≡C-)), або постійно подвійними зв'язками (полікумуленова будова (=C=C=)). Відомо кілька форм карбіну, що відрізняються числом атомів в елементарній комірці, розмірами комірок і густиною (2,68-3,30 г/см). Карбін зустрічається в природі у вигляді мінералу чаоіту (білі прожилки і вкраплення в графіті), а також отриманий штучних умовах з довгих ланцюжків атомів вуглецю, укладених паралельно один одному — окисною дегідрополіконденсацією ацетилену, дією лазерного випромінювання на графіт, з вуглеводнів або CCl4 в низькотемпературній плазмі. Ця речовина вперше була отримана радянськими хіміками В.В. Коршак, А.М. Сладкова, В.І. Касаточкіним і Ю.П. Кудрявцевим на початку 60-х рр. в Інституті елементоорганічних сполук Академії наук СРСР[13]. Карбін володіє напівпровідниковими властивостями, причому під впливом світла його провідність сильно збільшується. На цій властивості засновано перше практичне застосування — в фотоелементах.

Фулерен[ред.ред. код]

Фулерени C60 Кристали
Докладніше: 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[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

Докладніше: Аморфний вуглець

В основі будови аморфного вуглецю лежить неупорядкована структура монокристалічного (завжди містить домішки) графіту. В такій видозміні він існує 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.

Лонсдейліт[ред.ред. код]

Лонсдейліт виявлено у метеоритах і отримано штучно; його структура та фізичні властивості остаточно не встановлено.

Ультрадисперсні алмази (наноалмази)[ред.ред. код]

У 1980-х рр. в СРСР було виявлено, що в умовах динамічного навантаження вуглецевмісних матеріалів можуть утворюватися алмазоподібні структури, що отримали назву ультрадисперсних алмазів (УДА). В даний час все частіше застосовується термін «наноалмази». Розмір часток в таких матеріалах складає одиниці нанометрів. Умови утворення УДА можуть бути реалізовані при детонації вибухових речовин зі значним негативним кисневим балансом, наприклад, сумішей тротилу з гексогеном. Такі умови можуть бути реалізовані також при ударах небесних тіл об поверхню Землі в присутності вуглецевмісних матеріалів (органіка, торф, вугілля та ін.). Так, в зоні падіння Тунгуського метеорита в лісовій підстилці були виявлені УДА.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Спрощена фазова діаграма вуглецю, заштриховані області де алотропні модифікації можуть бути метастабільні. (diamond — алмаз, graphite — графіт, liquid — рідина, vapor — газ)

Вуглець існує в багатьох алотропних модифікаціях з дуже різноманітними фізичними властивостями. Різноманітність модифікацій обумовлено здатністю вуглецю утворювати хімічні зв'язки різного типу. Різні алотропні видозміни карбону мають різні провідні властивості. Алмаз є широкозонним напівпровідником, практично ізолятором. Відповідно, він має низьку теплопровідність. Завдяки широкій забороненій зоні, алмаз не поглинає видиме світло, незначне поглинання зумовлене наявністю домішок. На відміну від алмазу графіт є непоганим провідником електричного струму й тепла. Для нього також характерний металевий блиск. За нормальних умов термодинамічно стійкий лише графіт, а алмаз та інші форми метастабільні. При атмосферному тиску і температурі вище 1200 K алмаз починає переходити в графіт, вище 2100 K перетворення відбувається за секунди. ΔН0 переходу - 1,898 кДж/моль. При нормальному тиску вуглець сублімується при 3780 K. Рідкий вуглець існує лише при певному зовнішньому тиску. Потрійна точка: графіт-рідина-пара Т = 4130 K, р = 10,7 МПа. Прямий перехід графіту в алмаз відбувається при 3000 K і тиску 11-12 ГПа.

При тиску понад 60 ГПа припускають утворення вельми щільної модифікації C III (густина на 15-20% вище густини алмазу), що має металеву провідність. При високих тисках і відносно низьких температурах (біля 1200 K) з високоорієнтованого графіту утворюється гексагональна модифікація вуглецю з кристалічною ґраткою типу вюртциталонсдейліт (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, просторова група Р63/mmc), густина 3,51 г/см³, тобто така ж, як і у алмазу.

Структура[ред.ред. код]

Електронні орбіталі атома вуглецю можуть мати різну геометрію, залежно від ступеню гібридизації його електронних орбіталей. Існує три основних геометрії атома вуглецю:

  • Тетраедрична, утворюється при змішуванні одного s- та трьох p-електронів (sp3 гібридизація). Атом вуглецю знаходиться в центрі тетраедра, зв'язаний чотирма еквівалентними σ-зв'язками з атомами вуглецю або іншими в вершинах тетраедра. Такій геометрії атому відповідають алотропні модифікації вуглецю алмаз і лонсдейліт. Такою гібридизацією володіє вуглець, наприклад, в метані та інших вуглеводнях.
  • Тригональна, утворюється при змішуванні одного s- та двох p-електронів (sp2 гібридизація). Атом вуглецю має три рівноцінні σ-зв'язки, розташовані в одній площині під кутом 120° один до одного. Не беруча участі у гібридизації p-орбіталь, розташована перпендикулярно площині σ-зв'язків, використовується для утворення π-зв'язків з іншими атомами. Така геометрія вуглецю характерна для графіту, фенолу та ін.
  • Дігональна, утворюється при змішуванні одного s- та одного p-електронів (sp-гібридизація). При цьому дві електронні хмари витягнуті уздовж одного напряму і мають вигляд несиметричних гантелей. Два інших р-електрона дають π-зв'язки. Вуглець з такою геометрією атома утворює особливу алотропну модифікацію — карбін.

У 2010 році співробітники університету Ноттінгема Стівен Лідл і колеги отримали сполуку (мономерний ділітіо метандій), в якому чотири зв'язки атома вуглецю знаходяться в одній площині[14]. Раніше можливість «плоского вуглецю» була передбачена Паулем фон Шлейером для речовини H_2CLi_2, але вона не була синтезована.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

За звичайних умов вуглець хімічно інертний, при високих температурах з'єднується з багатьма елементами, проявляє сильні відновні властивості. Хімічна активність різних форм вуглецю зменшується в ряді: аморфний вуглець, графіт, алмаз, на повітрі вони спалахують при температурах відповідно вище 300-501 °C, 600-700 °C і 850-1000 °C. 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.

Електронна конфігурація[ред.ред. код]

Електронна конфігурація Карбону 1s22s22p2, тобто він має повністю заповнену внутрішню s-оболонку і 4 електрони на зовнішній оболонці: 2 s-електрони і два p-електрони. Енергії зовнішніх s- та p-орбіталей відрізняються не сильно, тому, утворюючи хімічні зв'язки, вони легко гібридизуються. У різних сполуках можливі як sp, sp2 та і sp3 гібридизації.

При sp3 гібридизації Карбон утворює 4 хімічні зв'язки. Така гібридизація характерна для алотропної видозміни вуглецю алмазу і для метану. sp2 гібридизація призводить до утворення плоских структур на зразок графіту, графену, фулеренів, нанотрубок, а також для ненасичених полімерів. Ще один електрон в цих плоских структурах займає перпендикулярну до площини π-орбіталь. Здебільшого π-орбіталі утворюють між собою додаткові π-зв'язки. sp гібридизація характерна для насичених полімерів. Ще два елекрони здебільшого утворюють додаткові зв'язки з Гідрогеном або з іншими елементами, зокрема із Карбоном у бічних відгалуженнях полімерів.

Ступені окислення Карбону в неорганічних сполуках +4, −4, рідко +2 (З, карбіди металів), +3 (C2N2, галогенціани); спорідненість до електрона 1,27 еВ; енергія іонізації при послідовному переході від С0 до С4+ відповідно 11,2604, 24,383, 47,871 і 64,19 еВ.

Сполуки[ред.ред. код]

Атоми Карбону утворюють міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами Карбону. Завдяки цьому вони можуть формувати ланцюжки й циклічні структури, забезпечуючи велику різноманітність хімічних сполук. Сполуки Карбону поділяють на неорганічні й органічні. Назва органічна сполука склалася історично. Так називали хімічні сполуки, що зустрічалися тільки в живій природі. Вважалося, що вони принципово відрізняються від неорганічних сполук. Однак, розвиток хімії й синтез органічних сполук із неорганічних складових доказали, що принципової відмінності органічних сполук від неорганічних нема. Деякі прості сполуки Карбону можна віднести як до органічних, так і до неорганічних.

Неорганічні сполуки[ред.ред. код]

Карбон утворює кілька різних оксидів, тобто сполук із Оксигеном. Діоксид вуглецю CO2, вуглекислий газ, найстабільніший із них. Монооксид вуглецю, відомий як чадний газ, утворюється при неповному згоранні через нестачу кисню. Він хімічно активніший і отруйний. Відомий також нестійкий діоксид тривуглецю С3O2 (температура плавлення -111 °C, температура кипіння 7 °C) та деякі інші оксиди Карбону з формулами C2O3, CO3, C2O, C5O5, C6O6, C12O9, C12O12. Графіт і аморфний вуглець починають реагувати з воднем при температурі 1200 °C, з фтором при 900 °C.

Вуглекислий газ розчиняючись у воді реагує з нею, утворюючи слабку вугільну кислоту H2CO3, солі якої називають карбонатами. На Землі найбільш широко поширені карбонати кальцію (мінеральні форми — крейда, мармур, кальцит, вапняк та ін.) та карбонати магнію (мінеральна форма доломіт).

Графіт з галогенами, лужними металами та ін. Речовинами утворює сполуки включення. При пропущенні електричного розряду між вугільними електродами в атмосфері азоту утворюється ціан. Із Нітрогеном Карбон утворює потрійний зв'язок, залишаючи вільним один елекрон. Якщо цей електрон зв'язується із атомом Гідрогену, виникає синільна кислота HCN:

~\mathsf{ NH_3 + CH_4 \ \xrightarrow{Pt}\ HCN + 3H_2\uparrow } . Її солі називаються ціанідами.

Сполуки Карбону з металами й деякими неметалами називаються карбідами, наприклад, карбід кальцію, карбід кремнію:

~\mathsf{ 4Al + 3C \ \xrightarrow{t}\ Al_4C_3 }
~\mathsf{Ca + 2C \ \xrightarrow{t}\ CaC_2 }

Важлива в промисловості реакція вуглецю з водяною парою:

~\mathsf{ C + H_2O \ \xrightarrow{}\ CO \uparrow + H_2 \uparrow}

Органічні сполуки[ред.ред. код]

Структурна формула молекули метану — найпростішої органічної сполуки.

Завдяки здатності вуглецю утворювати полімерні ланцюжки, існує величезний клас сполук на основі вуглецю, яких значно більше, ніж неорганічних, і вивченням котрих займається органічна хімія. Найбільші групи: вуглеводні, вуглеводи, білки, жири та ін.

Сполуки вуглецю складають основу земного життя, а їх властивості багато в чому визначають спектр умов, в яких подібні форми життя можуть існувати. За кількістю атомів в живих клітинах частка вуглецю близько 25%, по масовій частці — близько 18%.

Атом Карбону утворює з чотирма атомами Гідрогену сполуку метан з хімічною формулою CH4. За нормальних умов це безбарвний горючий газ. Метан є найпростішою сполукою у ряді вуглеводнів.

Хімічна активність[ред.ред. код]

Хімічна активність різних алотропних видозмін вуглецю різна. Алмаз і графіт майже не вступають в хімічні реакції. Вони можуть реагувати лише з чистим киснем і тільки за дуже високої температури.

Аморфний вуглець, а також вугілля за звичайної температури досить інертні, але при сильному нагріванні їх активність різко зростає і вуглець безпосередньо сполучається з багатьма елементами. Так, при нагріванні на повітрі вугілля горить, утворюючи діоксид вуглецю:

\mathsf{C + O_2 \rightarrow{}\ CO_2}

При недостатньому доступі кисню повітря він частково згоряє до монооксиду вуглецю CO, в якому вуглець двовалентний:

\mathsf{2C + O_2 \rightarrow{}\ 2CO}

Коли через розжарене вугілля пропускати випари сірки, то утворюється сірковуглець:

\mathsf{C + 2S \rightarrow{}\ CS_2}

При високій температурі вугілля досить сильний відновник. Воно віднімає кисень від оксидів багатьох металів. Наприклад:

\mathsf{2CuO + C \rightarrow{}\ 2Cu + CO_2\uparrow }

Через цю здатність, вугілля широко застосовують у металургії для добування металів із руд.

Застосування[ред.ред. код]

Вугільні палички. Матеріали для малювання.
Графітові стрижні для олівців.
Полотно із вуглеволокна.
Сверлдла з карбіду вольфраму.

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, але в суміші з глиною, для зменшення його м'якості. Також його використовують як мастило при особливо високих або низьких температурах. Його неймовірно висока температура плавлення дозволяє робити з нього тиглі для заливки металів. Здатність графіту проводити електричний струм також дозволяє виготовляти з нього високоякісні електроди.

Алмаз, завдяки винятковій твердості, незамінний абразивний матеріал. Алмазне 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 СО2 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.

Вуглець у вигляді викопного палива: вугілля і вуглеводнів (нафта, природний газ) - один з найважливіших джерел енергії для людства.

Біологічна роль[ред.ред. код]

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.

Токсична дія[ред.ред. код]

Вуглець входить до складу атмосферних аерозолів, в результаті чого може змінюватися регіональний клімат, зменшуватися кількість сонячних днів. Вуглець надходить в навколишнє середовище у вигляді сажі у складі вихлопних газів автотранспорту, при спалюванні вугілля на ТЕС, при відкритих розробках вугілля, підземної його газифікації, отриманні вугільних концентратів та ін. Концентрація вуглецю над джерелами горіння 100-400 мкг/м³, великими містами 2,4-15,9 мкг/м³, сільськими районами 0,5-0,8 мкг/м³. З газоаерозольними викидами АЕС в атмосферу надходить (6-15)×109 Бк/доб 14СО2. 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. У повітрі робочої зони ГДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит і кокс 6,0, кам'яне вугілля 10,0, технічний вуглець і вуглецевий пил 4,0; в атмосферному повітрі максимальна разова 0,15, середньодобова 0,05 мг/м³.

Токсична дія 14С у складі молекул білків (особливо в ДНК і РНК), визначається його радіоактивним розпадом із випромінюванням β-частинок (14С (β) → 14N), що призводить до зміни хімічного складу молекули та подальших негативних наслідків через цю зміну. Допустима концентрація 14С в повітрі робочої зони ДКБ 1,3 Бк/л, в атмосферному повітрі ДКБ 4,4 Бк/л, у воді 3,0×104 Бк/л, гранично допустиме надходження через органи дихання 3,2×108 Бк/рік.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) 85 en:Pure and Applied Chemistry (2013) (5) С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.(англ.)
  2. Вказано діапазон значень атомної маси в зв'язку з різною поширеністю ізотопів у природі
  3. «Carbon: Binary compounds». Процитовано 2007-12-06. (англ.)
  4. «Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical». Процитовано 2007-12-06. (англ.)
  5. «Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP». Процитовано 2007-12-06. (англ.)
  6. Haaland, D (1976). «Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon». Carbon 14 (6). с. 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5. (англ.)
  7. Savvatimskiy, A (2005). «Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)». Carbon 43 (6). с. 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027. (англ.)
  8. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.(рос.)
  9. [1], ET matlprop Misc Matls.(англ.)
  10. а б в г д Properties of diamond, Ioffe Institute Database(англ.)
  11. Ostlie, D.A. and Carroll, B.W. (2007). An Introduction to Modern Stellar Astrophysics. Addison Wesley, San Francisco. ISBN 0-8053-0348-0. 
  12. Whittet, D. C. B. (2003). Dust in the Galactic Environment. CRC Press. с. 45–46. ISBN 0-7503-0624-6. 
  13. V. I. Kasatochkin, A. M. Sladkov, et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 177, No. 2, 358 (1967)
  14. А. Борисова (30.07.2010). «Химики сплющили углерод». Gazeta.ru. Архів оригіналу за 2011-08-22. Процитовано 2010-08-22. (рос.)

Джерела[ред.ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968.
  • Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Саранчук В. И. и др. Углерод: неизвестное об известном. — Донецк: УК Центр, 2006.(рос.)
  • Бухаркина Т. В. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов / Т.В. Бухаркина, Н.Г. Дигуров. — Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1999. — 195 с. — ISBN 5-7237-0139-8.(рос.)
  • Ола Д.А. Химия гиперкоординированного углерода = Hupercarbon chemistry / Ола Дж., Пракаш Г.К.С., Уильямс Р.Е. и др. Переклад з англ. В.И. Минкина. — Москва: Мир, 1990. — 336 с. — ISBN 5-03-001451-9.(рос.)