нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Вуглець

   
 

Вуглець (латинське Carboneum), С, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, атомна маса 12,011. Відомі два стабільних ізотопи: 12 C (98,892%) і 13 C (1,108%). З радіоактивних ізотопів найбільш важливий 14 C з періодом напіврозпаду (Т EQ f (1; 2) = 5,6 ? 10 3 років). Невеликі кількості 14 C (близько 2 ? 10 -10 % по масі ) постійно утворюються у верхніх шарах атмосфери при дії нейтронів космічного випромінювання на ізотоп азоту 14 N. За питомої активності ізотопу 14 C в залишках біогенного походження визначають їх вік. 14 C широко використовується як ізотопного індикатора .

Історична довідка. У. відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт для виготовлення олівців.

У 1778 К. Шеєле , нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений внаслідок дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. У. був визнаний хімічним елементом в 1789 Лавуазьє. Латинська назва carboneum У. отримав від carbo - вугілля.

Поширення в природі. Середній вміст В. у земній корі 2,3 ? 10 -2 % по масі (1 ? 10 -2 в ультраосновних, 1 ? 10 -2 - в основних, 2 ? 10 -2 - в середніх, 3 ? 10 -2 - в кислих гірських породах). У. накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): в живій речовині 18% У., деревині 50%, кам'яному вугіллі 80%, нафти 85%, антрациті 96%. Значна частина В. літосфери зосереджена у вапняках і доломітах.

Кількість власних мінералів У. - 112; виключно велике число органічних сполук У. - вуглеводнів та їх похідних.

З накопиченням В. у земній корі пов'язане накопичення і багатьох ін елементів, сорбіруємих органічною речовиною і осідають у вигляді нерозчинних карбонатів, і т.д. Велику геохімічну роль в земній корі грають CO 2 і вугільна кислота. Величезна кількість CO 2 виділяється при вулканизме - в історії Землі це було основне джерело В. для біосфери.

Порівняно з середнім вмістом в земній корі людство у виключно великих кількостях витягує У. з надр (вугілля, нафта, природний газ), так як ці копалини - основне джерело енергії.

Величезне геохімічне значення має круговорот В. (див. нижче розділ Вуглець в організмі і ст. Кругообіг речовин ).

У. широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце після водню, гелію і кисню.

Фізико та хімічні властивості. Відомі чотири кристалічні модифікації У.: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. Побудований з кристалів гексагональної структури: а = 2,462 A, c = 6,701 A. При кімнатній температурі і нормальному тиску (0,1 Мн / м 2, або 1 кгс / см 2) графіт термодинамічно стабільний. Алмаз - дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентрированную грати: а = 3,560 A. При кімнатній температурі і нормальному тиску алмаз метастабілен (детально про структуру і властивості алмазу і графіту см. у відповідних статтях). Помітне перетворення алмаза в графіт спостерігається при температурах вище 1400? С у вакуумі або в інертній атмосфері. При атмосферному тиску і температурі близько 3700 ° С графіт переганяється. Рідкий В. може бути отриманий при тиску вище 10,5 Мн / м 2 (105 кгс / см 2) і температурах вище 3700? С. Для твердого В. ( кокс , сажа , деревне вугілля ) характерно також стан з неврегульованою структурою - так званий "аморфний" У., який не є самостійною модифікації; в основі його будови лежить структура мелкокристаллического графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" У. вище 1500-1600? С без доступу повітря викликає їх перетворення в графіт. Фізичні властивості «аморфного» У. дуже сильно залежать від дисперсності часток і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність "аморфного "У. завжди вище, ніж графіту. Карбин отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г / см 3). Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно; його структура та властивості остаточно не встановлені.

Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома В. 2s 2 2p 2. Для В. характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої електронної оболонки до стану 2 sp 3. Тому У. здатний в рівній мірі як притягати, так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2- и sp -гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Число валентних електронів У. і число валентних орбіталей однаково; це одна з причин стійкості зв'язку між атомами В.

Унікальна здатність атомів У. з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних з'єднань У., досліджуваних органічною хімією .

У з'єднаннях У. проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77 A, ковалентні радіуси 0,77 A, 0,67 A, ??0,60 A відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонний радіус C 4 - 2,60 A, C 4 + 0,20 A. При звичайних умовах У. хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості. Хімічна активність зменшується в ряді: "аморфний" У., графіт, алмаз; взаємодія з киснем повітря (горіння) відбувається відповідно при температурах вище 300 - 500? С, 600-700 ° С та 850-1000? С з утворенням двоокису вуглецю CO 2 та окису вуглецю CO.

CO 2 розчиняється у воді з утворенням вугільної кислоти . У 1906 О. Дильс отримав недоокись У. C 3O2. Всі форми В. стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентрованих HNO 3 і KClO 3 та ін.) "Аморфний" В. реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. Безпосереднє з'єднання В. з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом і йодом У. не реагує, тому численні вуглецю галогеніди синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенидів загальної формули COX 2 (де Х - галоген) найбільш відома хлорокис COCl 2 ( фосген ). Водень з алмазом не взаємодіє; з графітом і "аморфним" В. реагує при високих температурах у присутності каталізаторів (Ni, Pt): при 600-1000? С утворюється в основному метан CH 4, при 1500 - 2000? С - ацетилен C 2H2, в продуктах можуть бути присутніми також ін вуглеводні, наприклад етан C 2H6, бензол C 6H6. Взаємодія сірки з "аморфним" У. і графітом починається при 700-800? С, з алмазом при 900-1000? С; під всіх випадках утворюється сірковуглець CS 2. Др. з'єднання В., що містять сірку (тіоокісь CS, тіонедоокись C 3S2, оксисульфід COS і тіофосген CSCl 2), отримують непрямим шляхом. При взаємодії CS 2 з сульфідами металів утворюються тіокарбонати - солі слабкої тіовугільної кислоти. Взаємодія У. з азотом з отриманням ціану (CN) 2 відбувається при пропущенні електричного розряду між вугільними електродами в атмосфері азоту. Серед азотвмісних з'єднань В. важливе практичне значення мають ціаністий водень HCN (див. Синильна кислота ) і його численні похідні: ціаніди, гало-генциани, нітрил і ін При температурах вище 1000? З У. взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди . Всі форми В. при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb та ін) або карбідів (CaC 2, Mo 2 C, WO, TaC та ін.) У. реагує при температурах вище 600 - 800? С з водяною парою і вуглекислим газом (див. Газифікація палив ). Відмінною особливістю графіту є здатність при помірному нагріванні до 300-400? З взаємодіяти з лужними металами і галогенідами з утворенням сполук включення типу C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (де Х - галоген, Me - метал). Відомі сполуки включення графіту з HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 та ін (наприклад, бісульфат графіту C 24 SO 4H2). Всі форми В. нерозчинні у звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

Народногосподарське значення В. визначається тим, що понад 90% всіх первинних джерел споживаної в світі енергії припадає на органічне паливо , чільна роль якого збережеться і на найближчі десятиліття, незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики. Тільки близько 10% палива, що добувається використовується як сировина для основного органічного синтезу и нафтохімічного синтезу , для отримання пластичних мас та ін

Про отримання та застосуванні В. і його з'єднань див. також вогнетриви Вуглецю двоокис , Вуглецю окис , Карбонати , ? Б. А. Поповкін. , У. в організмі. У. - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя на Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть участь в побудові організмів і забезпеченні їх життєдіяльності (, біополімери , , а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та ін.) Значна частина необхідної організмам енергії утворюється в клітках за рахунок окислення У. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук (див. , Походження життя .

).

Унікальна роль В. у живій природі обумовлена ??його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден ін елемент періодичної системи. Між атомами В., а також між У. та ін елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними). ??Здатність В. утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з ін атомами В. створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що всього три елементи - С, О і Н - становлять 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих з'єднань невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома В. лежать в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів). Згідно загальноприйнятою гіпотезою А. І. Опаріна

, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами У. служили метан (CH ) і ціанистий водень (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного В., за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є Вуглецю двоокис

(CO ), що знаходиться в атмосфері, а також розчинений в природних водах у вигляді HCO . Найбільш могутній механізм засвоєння (асиміляції) У. (у формі CO 4) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами (щорік асимілюється близько 100 млрд. т CO 2). На Землі існує і еволюційне більш древній спосіб засвоєння CO -3 шляхом 2 хемосинтезу ; в цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають В. з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. Залежно від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізняти автотрофні організми 2 гетеротрофні організми 2. Застосування для біосинтезу білка і ін поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело У. вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково-технічних проблем. Вміст В. у живих організмах у розрахунку на суху речовину становить: 34,5-40% у водних рослин і тварин, 45,4-46,5% у наземних рослин і тварин і 54% у бактерій. У процесі життєдіяльності організмів, в основному за рахунок и тканинного дихання , відбувається окислювальний розпад органічних сполук з виділенням в зовнішнє середовище CO . У. виділяється також у складі складніших кінцевих продуктів обміну речовин. Після загибелі тварин і рослин частина В. знов перетворюється на CO в результаті здійснюваних мікроорганізмами процесів гниття. Таким чином відбувається круговорот В. у природі (див.

Кругообіг речовин ). Значна частина В. минерализуется і утворює поклади викопного У.: кам'яне вугілля, нафта, вапняки та ін Крім основні функції - джерела У. - CO , розчинений в природних водах і в біологічних рідинах, бере участь у підтримці оптимальної для життєвих процесів кислотності середовища. У складі CaCO 2 У. утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних (наприклад, раковини молюсків), а також міститься в коралах, яєчній шкаралупі птахів та ін Такі з'єднання В., як HCN, CO, CCl 2, Переважали в первинній атмосфері Землі в добіологичеський період, в подальшому, в процесі біологічної еволюції, перетворилися на сильні антіметаболіти обміну речовин.2Крім стабільних ізотопів В., у природі поширений радіоактивний3144C (у організмі людини його міститься близько 0,1 мккюри). З використанням ізотопів В. у біологічних і медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу У. в природі (див. Ізотопні індикатори). Так, за допомогою радіовуглецевого мітки була доведена можливість фіксації H

14 CO рослинами і тканинами тварин, встановлена ??послідовність реакцій фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, простежені шляхи біосинтезу багатьох біологічно активних сполук і т.д. Застосування 14C сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності14C в углеродсодержащих органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.-3Н. Н. Чернов. Літ.: Шафрановський І. І., Алмази, М. - Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюїс Ф. А., Графіт і його кристалічні сполуки, пров. з англ., М., 1965; Ремі Г., Курс неорганічної хімії, пер. з нім., т. 1, М., 1972; Перельман А. І., Геохімія елементів в зоні гіпергенезу, М., 1972; Некрасов Б. В., Основи загальної хімії, 3 вид., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганічна хімія, 2 вид., М., 1975; Вернадський В. І., Нариси геохімії, 6 видавництво., М., 1954; Рогінський С. З., Шноль С. Е., Ізотопи в біохімії, М., 1963; Горизонти біохімії, пер. з англ., М., 1964; Проблеми еволюційної і технічної біохімії, М., 1964; Кальвін М., Хімічна еволюція, пер. з англ., М., 1971; Леві А., Сікевіц Ф., Структура і функції клітини, пров. з англ., 1971, гл. 7; Біосфера, пров. з англ., М., 1972. 14C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Н. Н. Чернов.

© Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. - Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка