Углерод является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 6 и условным обозначением C. Углерод в свободном состоянии известен в виде угля, графита и алмаза, но большей своей частью составляет соединения в газообразном состоянии в виде углекислого газа и других соединений.
Открытие
Углерод был известен человечеству в виде древесного угля с начала времен, а именно с того момента как у человека появился огонь. На английском языке химический элемент углерод называется carbon, который берет корни от латинского «carbo», что в свою очередь переводится как древесный уголь. Углерод в форме алмазов был известен еще в 2500 году до Нашей Эры, но сам элемент не был открыт еще долгое время.
Рене Антуан Фершо де Реомюр в 1722 году продемонстрировал, что железо превращается в сталь в результате поглощения неизвестного вещества, которое сегодня известно как углерод. В 1772 году Антуан Лавуазье доказал, что алмазы имеют одинаковую структуру с древесным углем и представляют собой форму углерода. Он сжег образцы древесного угля и алмаза и обнаружил, что ни один из них не образует воды и что оба выделяют одинаковое количество углекислого газа на грамм. В 1779 году Карл Вильгельм Шееле показал, что графит, который считался в те времена разновидностью свинца, на самом деле идентичен древесному углю, но с небольшой примесью железа.
Французские ученые Клод Луи Бертолле, Гаспар Монж и К.А. Вандермонд в 1786 году подтвердили, что графит состоит в основном из углерода, окислив его кислородом почти так же, как Лавуазье сделал с алмазом. В результате эксперимента осталось немного железа, которое, по мнению французских ученых, был необходимым компонентом для структуры графита. В своей публикации они предложили название Carbon (лат. Carbonum) для части графита, которая выделялась в виде газа при горении. Затем Антуан Лавуазье включил углерод в свой учебник 1789 года как отдельный элемент.
В 1791 году английский химик Смитсон Теннант первым получил свободный углерод. Он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. Русское название углерод было предложено в 1824 году членом Петербургской Академии Наук Михаилом Федоровичем Соловьевым, которое используется и по сей день.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое (графит и алмаз) |
| Плотность | Г: 2,267 г/см³
А: 3,515 г/см³ |
| Точка сублимации | 3642 °С |
| Тройная точка | 4600 K 10800 кПа |
| Твердость по шкале Мооса | Г: 0,5
А: 10 |
| Теплота плавления | Г: 117 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | Г: 8,517
А: 6,155 |
| Мол. объем | 5,3 см³ / моль |
| Работа высвобождения | 4,81 эВ |
| Удельная теплоемкость | Г: 709 Дж / кг*К
А: 427 Дж / кг*К
|
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 6 |
| Атомная масса | 12,009 |
| Электронная конфигурация | 2s22p2 |
| Радиус атома | 70 пм |
| Ковалентный радиус | 77 пм |
| Степени окисления | -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 |
| Радиус иона | 16 пм |
| Электроотрицательность | 2,55 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 1085,7 кДж/моль |
| Изотопы | ⁸C, ⁹C, ¹⁰C, ¹¹ C, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C, ¹⁵ C, ¹⁶C, ¹⁷C, ¹⁸C, ¹⁹C, ²⁰C, ²¹C, ²²C |
Интересное:
Добыча и производство
Добыча и производство углерода в свободном виде не производится, так как этот химический элемент в природе существует только в виде соединений. Из самых значимых углеродных соединений выделяют алмаз и графит.
Графит является широко распространенным соединением углерода, метсторождения которого встречаются по всему миру. Наиболее важными коммерческими месторождениями обладают Китай, Индия, Бразилия и Северная Корея. Графитовые месторождения имеют метаморфическое происхождение и встречаются в сочетании с кварцем, слюдой и полевым шпатом в сланцах, гнейсах, а также метаморфизованных песчаниках и известняках в виде линз или жил. Приблизительное ежегодное извлечение графита из земной коры составляет 1,3 миллиона тонн.
Что же касается алмазов, то данные углеродные соединения встречаются гораздо реже и его цена значительно выше нежели у графита. Цепочки поставок алмазов контролируются немногочисленными влиятельными компаниями, а места добычи сосредоточены всего в нескольких точках земного шара. Запасы алмазных шахт не являются безграничными и могут заканчиваться. Наиболее важными коммерческими месторождениями обладают на данный момент такие страны как Россия, Ботсвана (Южная Африка), Австралия и Конго.
По оценкам ученых Земля состоит из 730 частей на единицу массы углерода, с концентрацией 2000 частей в ядре и по 120 частей в мантии и коре. Масса Земли составляет 5,972⋅1024 килограмм, что предполагает наличие 4360 миллионов гигатонн углерода. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в приблизительно в 60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных приблизительно на 17,5 %.
Углерод является 15 по распространенности элементом в земной коре и четвертым по массе элементом во Вселенной после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, его уникальное разнообразие органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле , позволяют этому элементу служить общим элементом всей известной жизни. Это второй по распространенности элемент в организме человека по массе, который составляет около 18,5% после кислорода.
Интересное:
Применение
Углерод необходим для всех известных живых систем, и без него жизнь в том виде, в котором мы ее привыкли наблюдать, не могла бы существовать. Именно по этой причине применение такого химического элемента как углерод является безгранично многообразным. Основную долю экономического применения углерода, кроме продуктов питания и древесины, занимает энергетическая сфера. В первую очередь это касается ископаемого топлива в число которых входит метан и сырая нефть. Сырая нефть перегоняется на нефтеперерабатывающих заводах нефтехимической промышленности для производства бензина, керосина и других продуктов горения.
Еще одним масштабным применением является производство целлюлозы. Целлюлоза представляет собой природный углеродсодержащий полимер, вырабатываемый растениями в виде древесины, хлопка, льна и конопли. Целлюлоза используется в первую очередь для поддержания структуры растений. К коммерчески ценным углеродным полимерам животного происхождения так же относятся шерсть, кашемир и шелк. Пластмассы изготавливаются из синтетических углеродных полимеров, часто с атомами кислорода и азота, включенными через равные промежутки в основную полимерную цепь. Сырьем для многих из этих синтетических веществ является сырая нефть.
Применение углерода и его соединений чрезвычайно разнообразно. Он может образовывать сплавы с железом, из которых наиболее распространена углеродистая сталь. Графит в сочетании с глинами образует «грифель», используемый в карандашах для письма и рисования. Он также используется в качестве смазки и пигмента, как формовочный материал при производстве стекла, в электродах для сухих батарей, при гальванике и гальванопластике, в щётках для электродвигателей и как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.
Древесный уголь используется в качестве материала для рисования в произведениях искусства, выплавке железа и во многих других областях. Алмазы ювелирного качества используются в ювелирных изделиях, а технические алмазы используются в инструментах для сверления, резки и полировки металлов и камня. Пластмассы производятся из ископаемых углеводородов, а углеродное волокно, полученное пиролизом синтетических полиэфирных волокон, используется для армирования пластмасс с целью формирования современных легких композитных материалов.
Углеродное волокно производится пиролизом экструдированных и растянутых нитей полиакрилонитрила (ПАН) и других органических веществ. Кристаллографическая структура и механические свойства волокна зависят от типа исходного материала и последующей обработки. Углеродные волокна, изготовленные из ПАН, имеют структуру, напоминающую узкие нити графита, но термическая обработка может изменить структуру в непрерывный прокатанный лист. В результате получаются волокна с более высокой удельной прочностью на разрыв, чем у стали.
Углеродная сажа используется в качестве черного пигмента в художественных масляных красках и акварельных красках, копировальной бумаге, автомобильных покрытиях, чернилах и тонерах для принтеров . Углеродная сажа также используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, таких как шины. Активированный уголь используется в качестве абсорбента и адсорбента в фильтрующем материале в противогазах,
фильтрующих элементах для очистки воды, кухонных вытяжках, 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 железо (плавка). Цементация стали достигается путем нагрева готовых стальных деталей в углеродном порошке. Карбиды кремния , вольфрама, бора и титана являются одними из самых твердых известных материалов и используются в качестве абразивов в режущих и шлифовальных инструментах. Углеродные соединения составляют большую часть материалов, используемых в одежде, таких как натуральный и синтетический текстиль и кожа, а также почти все внутренние поверхности в искусственной среде, за исключением стекла, камня, гипсокартона и металла.
Интересное:
Безопасность
Чистый углерод имеет чрезвычайно низкую токсичность для человека, и с ним можно безопасно обращаться в виде графита или древесного угля. Он устойчив к растворению или химическому воздействию даже в кислом содержимом пищеварительного тракта. Следовательно, попав в ткани организма, он с большой долей вероятнрсти останется на неопределенный срок. Вдыхание угольной пыли или сажи (технического углерода) в больших количествах может быть опасным, поскольку раздражает ткани легких и вызывает застойную болезнь легких именуемую пневмокониоз.
Алмазная пыль, используемая в качестве абразива, может быть вредной при проглатывании или вдыхании. Микрочастицы углерода образуются в выхлопных газах дизельных двигателей и могут накапливаться в легких. Но в этих примерах вред может быть вызван загрязнителями, а не самим углеродом. Углерод обычно малотоксичен для организмов живущих на Земле, но углеродные наночастицы смертельны для дрозофилы.
Так вот откуда название карбон появилось, но это же смесь углерода и пластика
Углерод является одним из самых распространенных и важных элементов на планете, но из-за него мы приходим к глобальному потеплению.