Углерод (лат. Carboneum) - химический элемент 14‑й группы 2‑го периода периодической системы Менделеева (IV группа в старой нумерации); атомный номер 6, атомная масса 12,011.

Углерод - химический элемент совершенно особый. Из химии углерода выросло мощное дерево органической химии с её сложнейшими синтезами и необъятным кругом изучаемых соединений. Появляются новые отрасли органической химии. Всё живое, составляющее биосферу, построено из соединений углерода. И деревья, которые давно отшумели, миллионы лет назад, превратились в топливо, содержащее углерод, - каменный уголь, торф и т. д. Возьмем самый обычный карандаш - предмет, всем знакомый. Не правда ли, удивительно, что скромный графитовый стерженек родствен сверкающему алмазу, самому твердому веществу в природе? Алмаз, графит, карбин - аллотропические модификации углерода (см. Аллотропия). Строение графита (1), алмаза (2), карбина (3).

История знакомства человека с этим веществом уходит далеко в глубь веков. Неизвестно имя того, кто открыл углерод, неизвестно, какая из форм чистого углерода - графит или алмаз - была открыта раньше. Лишь в конце XVIII в. было признано, что углерод - самостоятельный химический элемент.

Содержание углерода в земной коре составляет 0,023% по массе. Углерод - основная составная часть растительного и животного мира. Все горючие ископаемые - нефть, газ, торф, сланцы - построены на углеродной основе, особенно богат углеродом каменный уголь. Большая часть углерода сосредоточена в минералах - известняке CaCO 3 и доломите CaMg(CO 3) 2 , представляющих собой соли щелочноземельных металлов и слабой угольной кислоты H 2 CO 3 .

Среди жизненно важных элементов углерод - один из важнейших: жизнь на нашей планете построена на углеродной основе. Почему? Ответ на этот вопрос находим в «Основах химии» Д. И. Менделеева : «Углерод встречается в природе как в свободном, так и соединительном состоянии, в весьма различных формах и видах… Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях… Ни в одном из элементов… способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде… Ни одна пара элементов не дает столь много соединений, как углерод с водородом».

Действительно, атомы углерода могут соединяться разнообразными способами между собой и с атомами многих других элементов, образуя огромное разнообразие веществ. Их химические связи могут возникать и разрушаться под действием природных факторов. Так возникает круговорот углерода в природе: из атмосферы - в растения, из растений - в животные организмы, из них - в неживую природу и т. д. Где углерод, там многообразие веществ, где углерод, там самые разнообразные по молекулярной архитектуре конструкции (см. Углеводороды).

С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т. д. Важную геохимическую роль в земной коре играют CO 2 и угольная кислота. Огромное количество CO 2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основной источник углерода для биосферы.

Неорганических соединений углерода по количеству намного меньше, чем органических. Углерод в форме алмаза, графита, угля вступает в соединение только при нагревании. При высоких температурах он соединяется с металлами и некоторыми неметаллами , например с бором, образуя карбиды .

Из неорганических соединений углерода наиболее известны соли угольной кислоты, диоксид углерода CO 2 (углекислый газ) и моноксид углерода CO. Значительное менее известен третий оксид C 3 O 2 - бесцветный газ с неприятным резким запахом.

В атмосфере Земли находится 2,3 10 12 т диоксида CO 2 - продукта дыхания и горения . Это основной источник углерода для развития растений. Оксид углерода CO, известный под названием угарного газа, образуется при неполном сгорании топлива: в выхлопных газах автомобилей и т. д.

В промышленности оксид углерода CO используют в качестве восстановителя (например, при выплавке чугуна в доменных печах) и для синтеза органических веществ (например, метилового спирта по реакции: CO + 2H 2 → CH 3 (OH).

Наиболее известные аллотропические модификации элементарного углерода: алмаз - неорганический полимер пространственной, объемной структуры; графит - полимер плоскостной структуры; карбин - линейный полимер углерода, существующий в двух формах, отличающихся характером и чередованием химических связей; двумерная модификация графен ; углеродные нанотрубки цилиндрической структуры. (см. Аллотропия).

Алмаз - кристаллическая форма углерода, редкий минерал, по твердости превосходящий все природные и все, кроме кристаллического нитрида бора, искусственные материалы. Крупные кристаллы алмаза после огранки превращаются в драгоценнейшие из камней - бриллианты.

В конце XVII в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный, нагрели их солнечными лучами с помощью зажигательного стекла. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе… Прошло около ста лет, прежде чем французский химик А. Лавуазье в 1772 г. не только повторил этот опыт, но и объяснил причины исчезновения алмаза: кристаллик драгоценного бриллианта сгорал точно так же, как в других опытах сгорали кусочки фосфора и угля. И только в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы алмаза и угля. Он установил, что объемы углекислого газа после сгорания равных по массе уголька и алмаза оказались одинаковыми. После этого множество раз пытались получить алмаз искусственным путем из графита, угля и углеродсодержащих материалов при высоких температурах и давлениях. Иногда после этих опытов находили мелкие алмазоподобные кристаллики, но произвести удачные эксперименты не удавалось ни разу.

Синтез алмаза стал возможен после того, как советский физик О. И. Лейпунский в 1939 г. рассчитал условия, при которых графит может превращаться в алмаз (давление около 60 000 ат, температура 1600-2000 °C). В 50‑х гг. нашего века почти одновременно в нескольких странах, в том числе и в СССР, искусственные алмазы были получены в промышленных условиях. В наши дни с одной отечественной промышленной установки получают ежедневно 2000 каратов искусственных алмазов (1 карат = 0,2 г). Алмазные коронки буровых установок, алмазный режущий инструмент, шлифовальные круги с алмазной крошкой работают надежно и долго. Искусственные алмазы, так же как и природные кристаллы, широко используются в современной технике.

Еще шире применяется на практике другой чисто углеродный полимер - графит . В кристалле графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Шестиугольники с общими гранями образуют плоскости-пачки. Связи между углеродными атомами разных пачек малопрочны. К тому же расстояние между углеродными атомами разных плоскостей почти в 2,5 раза больше, чем между соседними атомами одной плоскости. Поэтому незначительного усилия достаточно, чтобы расщепить графитовый кристалл на отдельные чешуйки. Вот почему графитовый стержень карандаша оставляет след на бумаге. Несравненно труднее разрушить связь между атомами углерода, лежащими в одной плоскости. Прочность этих связей - причина высокой химической стойкости графита. На него не действуют даже горячие щелочи и кислоты, за исключением концентрированной азотной кислоты.

Помимо высокой химической стойкости графиту свойственна и высокая термостойкость: изделия из него можно использовать при температуре до 3700 °C. Способность проводить электрический ток определила многие области применения графита. Он нужен в электротехнике, металлургии , производстве порохов, атомной технике. Графит высочайшей чистоты используется в реакторостроении - как эффективный замедлитель нейтронов .

Линейный полимер углерода - карбин пока применяется в практике ограниченно. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно тройными и одинарными связями:

−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−C≡C−

Это вещество было впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60‑х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах.

В молекуле другой формы карбина - поликумулена (β-карбина), впервые полученного также в нашей стране, углеродные атомы связаны иначе, чем в карбине, - только двойными связями:

═C═C═C═C═C═C═C═C═C═

Число известных науке органических соединений - соединений углерода - превышает 7 млн. Химия полимеров - природных и синтетических - это тоже прежде всего химия соединений углерода. Органические соединения углерода изучают такие самостоятельные науки, как органическая химия , биохимия , химия природных соединений.

Неоценимо значение соединений углерода в жизни человека - повсюду нас окружает связанный углерод: в атмосфере и литосфере , в растениях и животных, в нашей одежде и пище.

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: СН 4 + О 2 = С + 2Н 2 О (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/м 2 , или 1кгс/см 2) графит термодинамически стабилен. При атмосферном давлении и температуре около 3700°С графит возгоняется. Жидкий углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м 2 (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/см 3). 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 F 2 (образуя CF 4). При нагревании реагирует со многими неметаллами и сложными веществами, проявляя восстановительные свойства:
CO 2 + C = CO выше 900°С
2H 2 O + C = CO 2 + H 2 выше 1000°С или H 2 O + C = CO + H 2 выше 1200°С
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C = 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Слабые окислительные свойства проявляются в реакциях с металлами, водородом
Ca + С = CaС 2 карбид кальция
Si + С = CSi карборунд
CaO + C = CaC 2 + CO

Важнейшие соединения:

Оксиды СО, СО 2
Угольная кислота Н 2 СО 3 , карбонаты кальция (мел, мрамор, кальцит, известняк),
Карбиды СаС 2
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).

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии - создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом . Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества - углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород - самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород - самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» - именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов - от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются - а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита - мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей - но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток - хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев - сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам - они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям - электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия - и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит - диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя - вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита - невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует - испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру - происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита - это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии - для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях - именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « ».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его - на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз - приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен - материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии - золотые контакты, над ними находится графен, выше - тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов - они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья - и . Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, - углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену - он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, .

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с .

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена - по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу - карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации - при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен- диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов - их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе - его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник - одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый - кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй - кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C 60 , или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов - фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.

Фуллериты - кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды - кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, - это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K 3 C 60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода - 33 кельвина, Cs 2 RbC 60 . Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp 2 -гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия - только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное - не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ - стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio ) - мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» - sp 1 -гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp 1 -углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов - квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны - ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод - это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углерод - шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - С от латинского «carboneum». Расположен во втором периоде, IVА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 6.

Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти. В земной коре встречаются в огромных количествах соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Наконец, растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент - один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1% (масс.).

Атомная и молекулярная масса углерода

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 12,0064.

Аллотропия и аллотропные модификации углерода

В свободном состоянии углерод существует в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе (рис. 1). Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем - это карбин и поликумулен - разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа -C= C- или = C = C= .

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.

Изотопы углерода

В природе углерод существует в виде двух стабильных изотопов 12 С (98,98%) и 13 С (1,07%). Их массовые числа равны 12 и 13 соответственно. Ядро атома изотопа углерода 12 С содержит шесть протонов и шесть нейтронов, а изотопа 13 С - такое же количество протонов и пять нейтронов.

Существует один искусственный (радиоактивный) изотоп углерода 14 Сс периодом полураспада равным 5730 лет.

Ионы углерода

На внешнем энергетическом уровне атома углерода имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 2 .

В результате химического взаимодействия углерод может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:

С 0 -2e → С 2+ ;

С 0 -4e → С 4+ ;

С 0 +4e → С 4- .

Молекула и атом углерода

В свободном состоянии углерод существует в виде одноатомных молекул С. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу углерода:

Сплавы углерода

Наиболее известные сплавы углерода во всем мире - это сталь и чугун. Сталь - это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором не превышает 2%. В чугуне (тоже сплав железа с углеродом) содержание углерода выше - от 2-х до 4%.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Углерод (от латинского: carbo «уголь») представляет собой химический элемент с символом С и атомным номером 6. Для образования ковалентных химических связей, доступны четыре электрона. Вещество является неметаллическим и четырехвалентным. Три изотопа углерода встречаются естественным образом, 12С и 13С стабильны, а 14С – радиоактивный изотоп, затухающий с периодом полураспада около 5730 лет . Углерод – один из немногих элементов, известных с древности. Углерод – это 15-й наиболее распространенный элемент в земной коре, и четвертый наиболее распространенный элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, уникальное разнообразие его органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют этому элементу служить общим элементом для всех известных форм жизни. Это второй наиболее распространенный элемент в человеческом теле по массе (около 18,5%) после кислорода. Атомы углерода могут связываться по-разному, называясь при этом аллотропами углерода. Наиболее известными аллотропами являются графит, алмаз и аморфный углерод. Физические свойства углерода широко варьируются в зависимости от аллотропной формы. Например, графит непрозрачен и черный, а алмаз – очень прозрачный. Графит достаточно мягкий, чтобы образовывать полосу на бумаге (отсюда и его название, от греческого глагола «γράφειν», что означает «писать»), в то время как алмаз является самым твердым известным в природе материалом. Графит является хорошим электрическим проводником, а алмаз имеет низкую электропроводность. В обычных условиях, алмаз, углеродные нанотрубки и графен имеют самую высокую теплопроводность среди всех известных материалов. Все углеродные аллотропы являются твердыми веществами в нормальных условиях, причем графит является наиболее термодинамически стабильной формой. Они химически устойчивы и требуют высокой температуры, чтобы реагировать даже с кислородом. Наиболее распространенное состояние окисления углерода в неорганических соединениях составляет +4, и +2 – в карбоксильных комплексах монооксида углерода и переходного металла. Крупнейшими источниками неорганического углерода являются известняки, доломиты и двуокись углерода, но значительные количества происходят из органических отложений угля, торфа, нефти и метанатных клатратов. Углерод образует огромное количество соединений, больше, чем любой другой элемент, с почти десятимиллионным количеством соединений, описанных до настоящего времени, и, тем не менее, это число является лишь частью числа теоретически возможных соединений в стандартных условиях. По этой причине, углерод часто упоминается как «царь элементов» .

Характеристики

Аллотропы углерода включают графит, одно из самых мягких из известных веществ, и алмаз, самое твердое природное вещество. Углерод легко связывается с другими малыми атомами, включая другие атомы углерода, и способен образовывать многочисленные устойчивые ковалентные связи с подходящими многовалентными атомами. Известно, что углерод образует почти десять миллионов различных соединений, подавляющее большинство всех химических соединений. Углерод также имеет самую высокую точку сублимации среди всех элементов. При атмосферном давлении, он не имеет температуры плавления, так как его тройная точка составляет 10,8 ± 0,2 МПа и 4600 ± 300 К (~ 4330 ° С или 7 820 ° F), поэтому он возгоняется при температуре около 3900 К. Графит гораздо более реактивный, чем алмаз, в стандартных условиях, несмотря на то, что он более термодинамически стабилен, поскольку его делокализованная система pi гораздо более уязвима для атаки. Например, графит может быть окислен горячей концентрированной азотной кислотой в стандартных условиях до меллитовой кислоты C6 (CO2H) 6, которая сохраняет гексагональные единицы графита при разрушении большей структуры. Углерод возгоняется в углеродистой дуге, температура которой составляет около 5800 К (5 530 ° С, 9 980 ° F). Таким образом, независимо от его аллотропной формы, углерод остается твердым при более высоких температурах, чем самые высокие температуры плавления, такие как вольфрам или рений. Хотя термодинамически углерод склонен к окислению, он более устойчив к окислению, чем такие элементы, как железо и медь, которые являются более слабыми восстановителями при комнатной температуре. Углерод – шестой элемент с электронной конфигурацией основного состояния 1s22s22p2, из которых четыре внешних электрона являются валентными электронами. Его первые четыре энергии ионизации 1086,5, 2352,6, 4620,5 и 6222,7 кДж / моль, намного выше, чем у более тяжелых элементов группы 14. Электроотрицательность углерода составляет 2,5, что значительно выше, чем у более тяжелых элементов 14 группы (1,8-1,9), но близка к большинству соседних неметаллов, а также к некоторым переходным металлам второго и третьего ряда. Ковалентные радиусы углерода обычно принимаются как 77,2 пм (C-C), 66,7 пм (C = C) и 60,3 пм (C≡C), хотя они могут варьироваться в зависимости от координационного числа и от того, с чем связан углерод. В общем случае, ковалентный радиус уменьшается при уменьшении координационного числа и увеличении порядка связей. Углеродные соединения составляют основу всех известных форм жизни на Земле, а углерод-азотный цикл обеспечивает некоторую энергию, выделяемую Солнцем и другими звездами. Хотя углерод образует необычайное разнообразие соединений, большинство форм углерода сравнительно не реагируют в нормальных условиях. При стандартных температурах и давлении, углерод выдерживает все, кроме самых сильных окислителей. Он не реагирует с серной кислотой, соляной кислотой, хлором или щелочами. При повышенных температурах, углерод реагирует с кислородом с образованием оксидов углерода и убирает кислород из оксидов металлов, оставляя элементный металл. Эта экзотермическая реакция используется в черной металлургии для плавки железа и контроля содержания углерода в стали:

Fe3О4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

с серой с образованием дисульфида углерода и с паром в реакции уголь-газ:

C (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)

Углерод сочетается с некоторыми металлами при высоких температурах с образованием металлических карбидов, таких как цементит из карбида железа в стали и карбид вольфрама, широко используемый в качестве абразива и для изготовления жестких наконечников для режущих инструментов. Система аллотропов углерода охватывает ряд экстремумов:

Некоторые виды графита используются для теплоизоляции (например, противопожарные преграды и теплозащитные экраны), но некоторые другие формы являются хорошими тепловыми проводниками. Алмаз – самый известный природный теплопроводник. Графит непрозрачен. Алмаз очень прозрачный. Графит кристаллизуется в гексагональной системе . Алмаз кристаллизуется в кубической системе. Аморфный углерод полностью изотропный. Углеродные нанотрубки являются одними из самых известных анизотропных материалов.

Аллотропы углерода

Атомный углерод является очень недолговечным видом, и поэтому углерод стабилизируется в различных многоатомных структурах с различными молекулярными конфигурациями, называемыми аллотропами. Три относительно известных аллотропа углерода – аморфный углерод, графит и алмаз. Ранее считавшиеся экзотическими, фуллерены в настоящее время обычно синтезируются и используются в исследованиях; они включают бакиболы, углеродные нанотрубки, углеродные наноточки и нановолокна. Также было обнаружено несколько других экзотических аллотропов, таких как лонсалетит, стеклоуглерод, углеродный нанофаум и линейный ацетиленовый углерод (карбин). По состоянию на 2009 год, графен считается наиболее сильным материалом среди всех, когда-либо протестированных. Процесс отделения его от графита потребует некоторого дальнейшего технологического развития, прежде чем он станет экономичным для промышленных процессов. В случае успеха, графен можно будет использовать при строительстве космических лифтов. Он также может быть использован для безопасного хранения водорода для использования в двигателях на основе водорода в автомобилях. Аморфная форма представляет собой набор атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном, стекловидном состоянии, а не содержащихся в кристаллической макроструктуре. Она присутствует в виде порошка и является основным компонентом таких веществ, как древесный уголь, ламповая копоть (сажа) и активированный уголь. При нормальных давлениях, углерод имеет форму графита, в котором каждый атом тригонально связан тремя другими атомами в плоскости, состоящей из сплавленных гексагональных колец, как и в ароматических углеводородах . Полученная сеть является двухмерной, и полученные плоские листы складываются и свободно связываются через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это дает графиту его мягкость и свойства расщепления (листы легко проскальзывают друг за другом). Из-за делокализации одного из внешних электронов каждого атома с образованием π-облака, графит проводит электричество, но только в плоскости каждого ковалентно связанного листа. Это приводит к более низкой удельной электропроводности для углерода, чем для большинства металлов. Делокализация также объясняет энергетическую стабильность графита над алмазом при комнатной температуре. При очень высоких давлениях, углерод образует более компактный аллотроп, алмаз, имеющий почти вдвое большую плотность, чем графит. Здесь каждый атом тетраэдрически соединен с четырьмя другими, образуя трехмерную сеть сморщенных шестичленных колец атомов. Алмаз имеет ту же кубическую структуру, что кремний и германий, и из-за прочности углерод-углеродных связей он является самым твердым природным веществом, что измеряется по сопротивлению царапинам. Вопреки распространенному мнению, что «алмазы вечны», они термодинамически нестабильны в нормальных условиях и превращаются в графит. Из-за высокого энергетического барьера активации, переход в форму графита настолько медленный при нормальной температуре, что он незаметен. При некоторых условиях, углерод кристаллизуется как лонсалейт, гексагональная кристаллическая решетка со всеми ковалентно связанными атомами и свойствами, аналогичными свойствам алмаза. Фуллерены представляют собой синтетическое кристаллическое образование с графитоподобной структурой, но вместо шестиугольников фуллерены состоят из пятиугольников (или даже семиугольников) атомов углерода. Отсутствующие (или дополнительные) атомы деформируют листы в сферы, эллипсы или цилиндры. Свойства фуллеренов (разделенных на бакиболы, бакитубы и нанобады) еще не полностью проанализированы и представляют собой интенсивную область исследований наноматериалов. Названия «фуллерен» и «бакибол» связаны с именем Ричарда Бакминстера Фуллера, популяризатора геодезических куполов, которые напоминают структуру фуллеренов. Бакиболы представляют собой довольно крупные молекулы, образованные полностью из углеродных связей тригонально, образуя сфероиды (наиболее известным и простейшим является баксинистерфеллерен C60 с формой футбольного мяча). Углеродные нанотрубки структурно подобны бакиболам, за исключением того, что каждый атом связан тригонально в изогнутом листе, который образует полый цилиндр. Нанобады впервые были представлены в 2007 году и представляют собой гибридные материалы (бакиболы ковалентно связаны с внешней стенкой нанотрубки), которые сочетают свойства обоих в одной структуре. Из других обнаруженных аллотропов, углеродная нанопена является ферромагнитным аллотропом, обнаруженным в 1997 году. Она состоит из кластерной сборки атомов углерода с низкой плотностью, натянутых вместе в рыхлую трехмерную сеть, в которой атомы тригонально связаны в шести- и семичленных кольцах. Она относится к числу самых легких твердых веществ с плотностью около 2 кг / м3. Аналогичным образом, стеклообразный углерод содержит высокую долю закрытой пористости, но, в отличие от обычного графита, графитовые слои не сложены в виде страниц в книге, но имеют более случайное расположение. Линейный ацетиленовый углерод имеет химическую структуру - (C::: C) n-. Углерод в этой модификации является линейным с орбитальной гибридизацией sp и является полимером с чередующимися одиночными и тройными связями. Этот карбин представляет значительный интерес для нанотехнологий, поскольку его модуль Юнга в сорок раз больше, чем у самого твердого материала – алмаза. В 2015 году команда из Университета Северной Каролины объявила о разработке еще одного аллотропа, который они назвали Q-углерод, созданный высокоэнергетическим лазерным импульсом низкой длительности на аморфной углеродной пыли. Сообщается, что Q-углерод проявляет ферромагнетизм, флуоресценцию и имеет твердость, превосходящую алмазы.

Распространенность

Углерод является четвертым по распространенности химическим элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Углерод изобилует в Солнце, звездах, кометах и атмосферах большинства планет. Некоторые метеориты содержат микроскопические алмазы, которые были сформированы, когда солнечная система все еще была протопланетным диском. Микроскопические алмазы также могут образовываться при интенсивном давлении и высокой температуре в местах воздействия метеорита. В 2014 году, НАСА объявила об обновленной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. Более 20% углерода во Вселенной могут быть связаны с ПАУ, комплексными соединениями углерода и водорода без кислорода . Эти соединения фигурируют в мировой гипотезе ПАУ, где они, предположительно, играют роль в абиогенезе и формировании жизни. Похоже, что ПАУ были сформированы «через пару миллиардов лет» после Большого взрыва, широко распространены во вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами. По оценкам, твердая оболочка земли, в целом, содержит 730 чнм углерода, при этом 2000 чнм содержатся в сердцевине и 120 чнм – в комбинированной мантии и коре. Поскольку масса земли составляет 5,9 72 × 1024 кг, это будет означать 4360 миллионов гигатонн углерода. Это намного больше, чем количество углерода в океанах или атмосфере (ниже). В сочетании с кислородом в углекислом газе, углерод находится в атмосфере Земли (приблизительно 810 гигатонн углерода) и растворяется во всех водоемах (приблизительно 36000 гигатонн углерода). В биосфере присутствует около 1900 гигатонн углерода. Углеводороды (такие как уголь, нефть и природный газ) также содержат углерод. Угольные «резервы» (а не «ресурсы») составляют около 900 гигатонн с, возможно, 18 000 Гт ресурсов. Запасы нефти составляют около 150 гигатонн. Доказанные источники природного газа составляют около 175 1012 кубических метров (содержащих около 105 гигатонн углерода), однако в исследованиях оценивается еще 900 1012 кубических метров «нетрадиционных» месторождений, таких как сланцевый газ, что составляет около 540 гигатонн углерода. Углерод также был обнаружен в гидратах метана в полярных регионах и под морями. По разным оценкам, количество этого углерода составляет 500, 2500 Гт, или 3000 Гт . В прошлом, количество углеводородов было больше. Согласно одному источнику, в период с 1751 по 2008 годы около 347 гигатонн углерода было выброшено в атмосферу в виде углекислого газа в атмосферу от сжигания ископаемого топлива. Другой источник добавляет количество, добавленное в атмосферу в период с 1750 года до 879 Гт, а общее количество в атмосфере, море и земле (например, торфяные болота) составляет почти 2000 Гт . Углерод является составной частью (12% по массе) очень больших масс карбонатных пород (известняк, доломит, мрамор и т. д.). Уголь содержит очень большое количество углерода (антрацит содержит 92-98% углерода) и является крупнейшим коммерческим источником минерального углерода, на который приходится 4000 гигатонн или 80% ископаемого топлива. Что касается индивидуальных аллотропов углерода, графит содержится в больших количествах в Соединенных Штатах (в основном, в Нью-Йорке и Техасе), в России, Мексике, Гренландии и Индии. Природные алмазы встречаются в горном кимберлите, содержащемся в древних вулканических «шеях» или «трубах». Большинство алмазных месторождений находится в Африке, особенно в Южной Африке, Намибии, Ботсване, Республике Конго и Сьерра-Леоне. Алмазные месторождения также обнаружены в Арканзасе, Канаде, Российской Арктике, Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии. Теперь бриллианты также извлекают со дна океана у мыса Доброй Надежды. Алмазы встречаются естественным образом, но сейчас производится около 30% всех промышленных алмазов, используемых в США. Углерод-14 образуется в верхних слоях тропосферы и стратосферы на высотах 9-15 км в реакции, которая осаждается космическими лучами. Производятся тепловые нейтроны, которые сталкиваются с ядрами азота-14, образуя углерод-14 и протон. Таким образом, 1,2 × 1010% атмосферного углекислого газа содержит углерод-14. Астероиды, богатые углеродом, относительно преобладают во внешних частях пояса астероидов в нашей солнечной системе. Эти астероиды еще не были напрямую исследованы учеными. Астероиды могут использоваться в гипотетической угледобыче на основе космического пространства, что может быть возможно в будущем, но в настоящее время технологически невозможно.

Изотопы углерода

Изотопы углерода представляют собой атомные ядра, которые содержат шесть протонов плюс ряд нейтронов (от 2 до 16). У углерода есть два устойчивых, встречающихся в природе, изотопа. Изотоп углерод-12 (12С) образует 98,93% углерода на Земле, а углерод-13 (13С) образует оставшиеся 1,07%. Концентрация 12С еще больше увеличивается в биологических материалах, потому что биохимические реакции дискриминируют 13С. В 1961 году, Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) принял изотопный углерод-12 в качестве основы для атомных весов. Идентификация углерода в экспериментах с ядерным магнитным резонансом (ЯМР) проводится с изотопом 13С. Углерод-14 (14С) представляет собой природный радиоизотоп, созданный в верхней атмосфере (нижняя стратосфера и верхняя тропосфера) путем взаимодействия азота с космическими лучами. Он находится в следовых количествах на Земле в количестве до 1 части на триллион (0,0000000001%), в основном, в атмосфере и поверхностных отложениях, в частности, торфе и других органических материалах. Этот изотоп распадается в ходе β-эмиссии 0,158 МэВ. Из-за относительно короткого периода полураспада, 5730 лет, 14С практически отсутствует в древних скалах. В атмосфере и в живых организмах, количество 14С почти постоянное, но снижается в организмах после смерти. Этот принцип используется в радиоуглеродном датировании, изобретенном в 1949 году, которое широко использовалось для определения возраста углеродистых материалов с возрастом до 40000 лет . Существует 15 известных изотопов углерода и наименьший срок жизни из них имеет 8C, который распадается за счет эмиссии протонов и альфа-распада и имеет период полураспада 1,98739 × 10-21 с. Экзотический 19C демонстрирует ядерный ореол, что означает, что его радиус значительно больше, чем можно было бы ожидать, если бы ядро было сферой постоянной плотности.

Образование в звездах

Формирование атомного ядра углерода требует почти одновременного тройного столкновения альфа-частиц (ядер гелия) внутри ядра гигантской или сверхгигантской звезды, что известно как тройной альфа-процесс, поскольку продукты дальнейших реакций ядерного синтеза гелия с водородом или другим ядром гелия производят литий-5 и бериллий-8 соответственно, оба из которых очень неустойчивы и почти мгновенно затухают обратно в более мелкие ядра . Это происходит в условиях температур более 100 мегакальвин и концентрации гелия, что недопустимо в условиях быстрого расширения и охлаждения ранней Вселенной, и поэтому во время Большого взрыва не было создано значительных количеств углерода. Согласно современной теории физической космологии, углерод образуется внутри звезд в горизонтальной ветви путем столкновения и трансформации трех ядер гелия. Когда эти звезды умирают как сверхновая, углерод рассеивается в космос в виде пыли. Эта пыль становится составным материалом для образования звездных систем второго или третьего поколения с аккрецированными планетами. Солнечная система – одна из таких звездных систем с обилием углерода, позволяющая существование жизни, как мы ее знаем. Цикл CNO является дополнительным механизмом слияния, который управляет звездами, где углерод работает как катализатор. Ротационные переходы различных изотопических форм монооксида углерода (например, 12CO, 13CO и 18CO) обнаруживаются в субмиллиметровом диапазоне длин волн и используются при изучении новообразующихся звезд в молекулярных облаках .

Углеродный цикл

В земных условиях, конверсия одного элемента в другой – явление очень редкое. Поэтому количество углерода на Земле эффективно постоянное. Таким образом, в процессах, которые используют углерод, он должен получаться откуда-то и утилизироваться в другом месте. Пути углерода в окружающей среде образуют углеродный цикл. Например, фотосинтетические установки извлекают углекислый газ из атмосферы (или морской воды) и строят его в биомассу, как в цикле Кальвина, процессе фиксации углерода. Некоторая часть этой биомассы съедается животными, в то время как некоторая часть углерода выдыхается животными в виде двуокиси углерода. Цикл углерода значительно сложнее, чем этот короткий цикл; например, некоторое количество двуокиси углерода растворяется в океанах; если бактерии не поглощают его, мертвое растительное или животное вещество может стать нефтью или углем, которое выделяет углерод при сжигании.

Соединения углерода

Углерод может образовывать очень длинные цепи взаимосвязанных углерод-углеродных связей, свойство, которое называется образованием цепочек. Углерод-углеродные связи устойчивы. Благодаря катанации (образованию цепочек), углерод образует бесчисленное количество соединений. Оценка уникальных соединений показывает, что большее количество из них содержат углерод. Аналогичное утверждение может быть сделано для водорода, потому что большинство органических соединений также содержат водород. Простейшая форма органической молекулы представляет собой углеводород – большое семейство органических молекул, которые состоят из атомов водорода, связанных с цепочкой атомов углерода. Длина цепи, боковые цепи и функциональные группы влияют на свойства органических молекул. Углерод встречается во всех формах известной органической жизни и является основой органической химии. При объединении с водородом, углерод образует различные углеводороды, которые важны для промышленности как хладагенты, смазочные материалы, растворители, как химическое сырье для производства пластмасс и нефтепродуктов, а также как ископаемое топливо. В сочетании с кислородом и водородом, углерод может образовывать множество групп важных биологических соединений, включая сахара, лигнаны, хитины, спирты, жиры и ароматические сложные эфиры, каротиноиды и терпены. С азотом, углерод образует алкалоиды, а с добавлением серы также образует антибиотики, аминокислоты и резиновые изделия. С добавлением фосфора к этим другим элементам, он образует ДНК и РНК, носители химического кода жизни и аденозинтрифосфат (АТФ), самую важную молекулу переноса энергии во всех живых клетках.

Неорганические соединения

Обычно углеродсодержащие соединения, которые связаны с минералами или которые не содержат водорода или фтора, обрабатываются отдельно от классических органических соединений; это определение не является строгим. Среди них простые оксиды углерода. Наиболее известным оксидом является двуокись углерода (CO2). Когда-то это вещество было главной составляющей палеоатмосферы, но сегодня является второстепенным компонентом атмосферы Земли . При растворении в воде, это вещество образует углекислоту (H2CO3), но, как и большинство соединений с несколькими односвязными кислородами на одном углероде, оно неустойчиво. Однако, через это промежуточное вещество образуются резонансные стабилизированные карбонатные ионы. Некоторыми важными минералами являются карбонаты, особенно кальциты. Углерод дисульфид (CS2) аналогичен. Другим распространенным оксидом является окись углерода (СО). Она образуется при неполном сгорании и является бесцветным газом без запаха. Каждая молекула содержит тройную связь и является довольно полярной, что приводит к тому, что она постоянно связывается с молекулами гемоглобина, вытесняя кислород, который имеет более низкую аффинность связывания. Цианид (CN-) имеет сходную структуру, но ведет себя подобно ионам галогенида (псевдогалоген). Например, он может образовывать молекулу нитрида цианогена (CN) 2), аналогичную диатомовым галогенидам. Другими необычными оксидами являются субоксид углерода (C3O2), неустойчивый монооксид углерода (C2O), триоксид углерода (CO3), циклопентанпептон (C5O5), циклогексангексон (C6O6) и меллитовый ангидрид (C12O9). С реактивными металлами, такими как вольфрам, углерод образует либо карбиды (C4-), либо ацетилиды (C2-2) с образованием сплавов с высокими температурами плавления. Эти анионы также связаны с метаном и ацетиленом, оба из которых являются очень слабыми кислотами. При электроотрицательности 2,5, углерод предпочитает образовывать ковалентные связи. Несколько карбидов представляют собой ковалентные решетки, такие как карборунд (SiC), который напоминает алмаз. Тем не менее, даже самые полярные и солеобразные карбиды не являются полностью ионными соединениями .

Металлоорганические соединения

Органометаллические соединения, по определению, содержат, по меньшей мере, одну связь углерод-металл. Существует широкий спектр таких соединений; основные классы включают простые соединения алкил-металл (например, тетраэтилэлид), η2-алкеновые соединения (например, соль Zeise) и η3-аллильные соединения (например, димер хлорида аллилпалладия); металлоцены, содержащие циклопентадиенильные лиганды (например, ферроцен); и карбеновые комплексы переходных металлов. Существует много карбонилов металлов (например, тетракарбонилникель); некоторые работники считают, что лиганд монооксида углерода является чисто неорганическим, а не металлоорганическим, соединением. В то время как считается, что углерод исключительно образует четыре связи, сообщается об интересном соединении, содержащем октаэдрический гексакоординированный атом углерода. Катион этого соединения представляет собой 2+. Это явление объясняется аурофильностью золотых лигандов. В 2016 году было подтверждено, что гексаметилбензол содержит атом углерода с шестью связями, а с не обычными четырьмя.

История и этимология

Английское название углерода (carbon) происходит от латинского carbo, обозначающего «уголь» и «древесный уголь» , отсюда же и французское слово charbon, что означает «древесный уголь». На немецком, голландском и датском языках названия углерода – Kohlenstoff, koolstof и kulstof соответственно, все в буквальном смысле означают угольную субстанцию. Углерод был обнаружен в доисторических временах и был известен в формах сажи и древесного угля в самых ранних человеческих цивилизациях. Алмазы были известны, вероятно, уже в 2500 г. до н.э. в Китае, а углерод в виде древесного угля был изготовлен в римские времена путем той же химии, что и сегодня, путем нагрева древесины в пирамиде, покрытой глиной, чтобы исключить воздух. В 1722 году Рене Антуан Ферхо де Реамур продемонстрировал, что железо превращается в сталь через поглощение какого-либо вещества, которое теперь известно как углерод. В 1772 году Антуан Лавуазье показал, что алмазы являются формой углерода; когда он сжигал образцы древесного угля и алмаза и обнаружил, что ни один из них не производил никакой воды, и что оба вещества выпускали равное количество углекислого газа на грамм. В 1779 году Карл Вильгельм Шееле показал, что графит, который считался формой свинца, вместо этого был идентичен древесному углю, но с небольшой примесью железа и что он давал «воздушную кислоту» (что является диоксидом углерода) при окислении азотной кислотой. В 1786 году французские ученые Клод Луи Бертолле, Гаспард Мондж и К. А. Вандермонд подтвердили, что графит, в основном, был углеродом, при окислении его в кислороде почти так же, как Лавуазье делал с алмазом. Некоторое количество железа снова оставалось, что, по мнению французских ученых, было необходимо для структуры графита. В своей публикации они предложили название carbone (латинское слово carbonum) для элемента в графите, который выделялся как газ при сжигании графита. Затем Антуан Лавуазье перечислил углерод как элемент в своем учебнике 1789 года. Новый аллотроп углерода, фуллерен, который был обнаружен в 1985 году, включает наноструктурные формы, такие как баккиболы и нанотрубки. Их первооткрыватели – Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли – получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Возникший в результате возобновленный интерес к новым формам приводит к открытию дополнительных экзотических аллотропов, включая стеклообразный углерод, и осознанию того, что «аморфный углерод» не является строго аморфным.

Производство

Графит

Коммерчески жизнеспособные природные отложения графита встречаются во многих частях мира, но наиболее экономически важные источники находятся в Китае, Индии, Бразилии и Северной Корее. Графитовые отложения имеют метаморфическое происхождение, обнаруженное в сочетании с кварцем, слюдой и полевыми шпатами в сланцах, гнейсах и метаморфизованных песчаниках и известняках в виде линз или жил, иногда толщиной в несколько метров или более. Запасы графита в Борроудейл, Камберленд, Англия, были вначале достаточного размера и чистоты, поэтому до 19-го века карандаши делались просто путем распиливания блоков из натурального графита на полоски перед обклеиванием полос в древесине. Сегодня меньшие отложения графита получают путем измельчения родительской породы и плавания более легкого графита на воде. Существует три типа натурального графита – аморфный, чешуйчатый или кристаллический. Аморфный графит имеет самое низкое качество и является наиболее распространенным. В отличие от науки, в промышленности «аморфный» относится к очень маленькому размеру кристалла, а не к полному отсутствию кристаллической структуры. Слово «аморфный» используется для обозначения продуктов с низким количеством графита и является самым дешевым графитом. Крупные месторождения аморфного графита находятся в Китае, Европе, Мексике и США. Плоский графит реже встречается и имеет более высокое качество, чем аморфный; он выглядит как отдельные пластины, которые кристаллизуются в метаморфических породах. Цена гранулированного графита может в четыре раза превышать цену аморфного. Чешуйчатый графит хорошего качества может быть переработан в расширяемый графит для многих применений, таких как антипирены. Первичные месторождения графита находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае, Германии и на Мадагаскаре. Жидкий или кусковой графит – самый редкий, самый ценный и высококачественный тип природного графита. Он находится в жилах вдоль интрузивных контактов в твердых кусках, и коммерчески добывается только в Шри-Ланке. Согласно USGS, мировое производство природного графита в 2010 году составило 1,1 миллиона тонн, при этом в Китае было добыто 800 000 тонн, в Индии – 130 000 т, в Бразилии – 76 000 т, в Северной Корее – 30 000 т и в Канаде – 25 000 т. Никакого природного графита не было добыто в Соединенных Штатах, но в 2009 году было добыто 118 000 т синтетического графита с оценочной стоимостью 998 млн. долл. США.

Алмаз

Поставки алмазов контролируются ограниченным числом бизнесов, а также высоко концентрируются в небольшом количестве мест по всему миру. Только очень небольшая доля алмазной руды состоит из реальных алмазов. Руда измельчается, во время чего необходимо принять меры для предотвращения разрушения крупных алмазов в этом процессе, а затем частицы сортируются по плотности. Сегодня алмазы добывают во фракции богатой алмазами с помощью рентгеновской флуоресценции, после чего последние шаги сортировки выполняются вручную. До распространения использования рентгеновских лучей, разделение проводилось с помощью смазочных лент; известно, что алмазы были обнаружены только в аллювиальных отложениях на юге Индии. Известно, что алмазы более склонны прилипать к массе, чем другие минералы в руде. Индия была лидером в производстве алмазов с момента их открытия примерно в IX веке до нашей эры до середины 18 века нашей эры, но коммерческий потенциал этих источников был исчерпан к концу 18 века, и к тому времени Индия была затомлена Бразилией, где первые алмазы были найдены в 1725 году. Алмазное производство первичных месторождений (кимберлитов и лампроитов) началось только в 1870-х годах, после открытия алмазных месторождений в Южной Африке. Производство алмазов увеличивалось с течением времени, и с этой даты было накоплено всего 4,5 млрд каратов. Около 20% от этого количества было добыто только за последние 5 лет, и в течение последних десяти лет начали производство 9 новых месторождений, и еще 4 ждут скорого открытия. Большинство из этих месторождений находятся в Канаде, Зимбабве, Анголе и одно – в России. В Соединенных Штатах, алмазы были обнаружены в Арканзасе, Колорадо и Монтане. В 2004 году поразительное открытие микроскопического алмаза в Соединенных Штатах привело к выпуску в январе 2008 года массового отбора проб кимберлитовых труб в отдаленной части Монтаны. Сегодня большинство коммерчески жизнеспособных алмазных месторождений находятся в России, Ботсване, Австралии и Демократической Республике Конго. В 2005 году, Россия произвела почти одну пятую мирового запаса алмазов, по сообщению Британской Геологической Службы. В Австралии самая богатая диамантированная труба достигла пиковых уровней производства в 42 метрических тонны (41 тонна, 46 коротких тонн) в год в 1990-х годах. Существуют также коммерческие месторождения, активные добычи которых осуществляются на Северо-Западных территориях Канады, Сибири (в основном, на территории Якутии, например, в Трубе «Мир» и в Удачной трубе), в Бразилии, а также в Северной и Западной Австралии.

Применения

Углерод необходим для всех известных живых систем. Без него невозможно существование жизни, такой, как мы ее знаем. Основное экономическое использование углерода, кроме продуктов питания и древесины, относится к углеводородам, в первую очередь, к ископаемому топливу метановому газу и сырой нефти. Сырая нефть перерабатывается нефтеперерабатывающими заводами для производства бензина, керосина и других продуктов. Целлюлоза представляет собой природный углеродсодержащий полимер, производимый растениями в виде дерева, хлопка, льна и конопли. Целлюлоза используется, в основном, для поддержания структуры растений. Коммерчески ценные углеродные полимеры животного происхождения включают шерсть, кашемир и шелк. Пластмассы изготавливают из синтетических углеродных полимеров, часто с атомами кислорода и азота, включенными через регулярные интервалы в основную полимерную цепь. Сырье для многих из этих синтетических веществ поступает из сырой нефти. Использование углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Углерод может образовывать сплавы с железом, наиболее распространенным из которых является углеродистая сталь. Графит сочетается с глинами, образуя «свинец», используемый в карандашах, используемых для письма и рисования. Он также используется в качестве смазки и пигмента в качестве формовочного материала при производстве стекла, в электродах для сухих батарей и гальванизации и гальванопластики, в щетках для электродвигателей и в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Уголь используется как материал для изготовления произведений искусства, в качестве гриля для барбекю, для выплавки железа и имеет множество других применений. Древесина, уголь и нефть используются в качестве топлива для производства энергии и для отопления. Алмазы высокого качества используются в производстве ювелирных изделий, а промышленные алмазы используются для сверления, резки и полировки инструментов для обработки металлов и камня. Пластмассы изготавливаются из ископаемых углеводородов, а углеродное волокно, изготовленное путем пиролиза синтетических полиэфирных волокон, используется для армирования пластмасс с образованием передовых, легких композиционных материалов. Углеродное волокно изготавливается путем пиролиза экструдированных и растянутых нитей полиакрилонитрила (PAN) и других органических веществ. Кристаллическая структура и механические свойства волокна зависят от типа исходного материала и последующей обработки. Углеродные волокна, изготовленные из PAN, имеют структуру, напоминающую узкие нити графита, но термическая обработка может переупорядочить структуру в непрерывный лист. В результате, волокна имеют более высокую удельную прочность на растяжение, чем сталь. Углеродная сажа используется в качестве черного пигмента в печатных красках, масляной краске и акварелях художников, углеродной бумаге, автомобильной отделке, чернилах и лазерных принтерах. Углеродная сажа также используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, таких как шины и в пластмассовых соединениях. Активированный уголь используется в качестве абсорбента и адсорбента в фильтровальных материалах в таких разнообразных применениях, как противогазы, очистка воды и кухонные вытяжки, а также в медицине для поглощения токсинов, ядов или газов из пищеварительной системы. Углерод используется при химическом восстановлении при высоких температурах. Кокс используется для восстановления железной руды в железе (плавка). Затвердевание стали достигается за счет нагрева готовых стальных компонентов в углеродном порошке. Карбиды кремния, вольфрама, бора и титана входят в число самых твердых материалов и используются в качестве абразивов для резки и шлифования. Углеродные соединения составляют большую часть материалов, используемых в одежде, таких как натуральный и синтетический текстиль и кожа, а также почти все внутренние поверхности в среде, отличной от стекла, камня и металла.

Бриллианты

Алмазная промышленность подразделяется на две категории, одна из которых – алмазы высокого качества (драгоценные камни), а другая – алмазы промышленного класса. Хотя существует большая торговля обоими типами алмазов, оба рынка действуют совершенно по-разному. В отличие от драгоценных металлов, таких как золото или платина, бриллианты драгоценных камней не торгуются как товар: в продаже алмазов имеется существенная надбавка, и рынок перепродажи алмазов не очень активен. Промышленные алмазы ценятся, в основном, за их твердость и теплопроводность, при этом геммологические качества ясности и цвета, в основном, неактуальны. Около 80% добытых алмазов (равно примерно 100 млн каратов или 20 тонн в год) непригодны для использования, и используются в промышленности (алмазный лом). Синтетические алмазы, изобретенные в 1950-х годах, почти сразу нашли промышленные применения; Ежегодно производится 3 млрд каратов (600 тонн) синтетических алмазов. Доминирующим промышленным использованием алмаза является резка, сверление, шлифовка и полировка. Большинство этих применений не требуют больших алмазов; на самом деле, большинство алмазов драгоценного качества, за исключением алмазов небольшого размера, могут использоваться в промышленности. Алмазы вставляются в наконечники сверл или пильные диски или измельчаются в порошок для использования в шлифовании и полировке. Специализированные применения включают использование в лабораториях в качестве хранилища для экспериментов высокого давления, высокопроизводительных подшипников и ограниченное использование в специализированных окнах. Благодаря достижениям в области производства синтетических алмазов, новые применения становятся практически осуществимыми. Большое внимание уделяется возможному использованию алмаза в качестве полупроводника, подходящего для микрочипов, и из-за его исключительной теплопроводности в качестве радиатора в электронике.