Углерод

С незапамятных времён человек использовал уголь и сажу. Когда наши предки овладели огнём, а это было около 100 тысяч лет назад, они имели дело с углём и сажей.По всей видимости, люди знакомы очень давно с разновидностями углерода, аллотропными модификациями-алмазом и графитом и каменным углем. Углерод является одним из элементов, имя первооткрывателя которого неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементарного углерода – алмаз или графит – была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно, ещё до возникновения письма. Углерод является одним из первых химических элементов, который известен человеку.

История Впервые «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье и др. «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 г. германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. История В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод.

Второй аллотроп углерода графит в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; Только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО 2 ) и большое количество флогистона. Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту. История

Происхождение названия В начале XIX века в русской химической литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815);Севергин с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии часть карп(он)- от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь».1824 года Соловьёвлат.

Строение атома 6Углерод C 12,011 2s 2 2p 2 В периодической таблице химических элементов углерод (С) расположен во втором периоде, в IV группе главной подгруппы. Углерод (С) неметалл. Возможные степени окисления: -4; 0; +2; +4. Формулы высшего оксида и гидроксида: СО2 и Н2СО3. Оба соединения проявляют кислотные свойства.

Углерод химический элемент с атомным номером 6 в периодической системе, обозначается символом С (лат. Carboneum), неметалл. Схемы строения различных модификаций углерода a: алмаз, b: графен, c: графит d: фуллерен букибол C60, e: фуллерены C540, F: карпин, g: технический углерод, h: углеродные нанотрубки

Физические свойства аллотропных модификаций углерода Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок. Графит – устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо- черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные следы на бумаге.

Карбин имеет кристаллическую структуру, в которой атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями. Фуллерены – класс химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, число атомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников. Молекула наиболее устойчивого фуллерена C60 или футболена, имеет форму футбольного мяча, причем каждый атом углерода занимает позицию в вершине усеченного икосаэдра. Физические свойства аллотропных модификаций углерода

П О Ч Е М У А Л М А З - очень твердый, Г Р А Ф И Т – очень мягкий ? Кристаллическая решетка алмаза Кристаллическая решетка графита

А Л М А З Алмаз имеет атомную кристаллическую решетку, в которой каждый атом углерода связан с четырьмя атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка.

Г Р А Ф И Т Графит имеет слоистую структуру. В кристаллической решетке графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Связи между слоями малопрочны.

Сравнение физических свойств алмаза и графита название свойства графит алмаз цвет серо-черный Бесцветный, прозрачный блеск металлический алмазный плотность (г/см 3 )2,273,52 твердость мягче бумаги 10 по шкале твердости хрупкость слоистое вещество высокая растворимость нет электропроводность есть диэлектрик Температура плавления 4000 С ( при атм. давлении ) 4000 С ( при 100 атм. )

Взаимопревращение алмаза и графита Алмаз t =2000 C без доступа воздуха t =3000 C,Р=50 тыс. атм., катализатор Ni Графит Алмазы, полученные искусственным путем из графита, мелкие, невысокого качества. Их используют в основном для технических целей, а под названием фианиты – для ювелирных украшений.

Сходное с графитом строение имеют: Сажа Древесный уголь Кокс типографская краска, картриджи, резина, косметическая тушь восстановитель при выплавке чугуна из руд твердое топливо, адсорбент для очистки газов и жидкостей

Аморфный углерод Активированный уголь Древесный уголь Ископаемый уголь: антрацит и др.др Кокс каменноугольный, нефтяной и др. Стеклоуглерод Техуглерод Сажа Углеродная нанопена На практике, как правило, перечисленные аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода. В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита.

Изотопы углерода Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов 12 С (98,93 %) и 13 С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14 С (β-излучатель, Т ½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб. На образовании и распаде 14 С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в геологии и археологии.

Углерод в живой и неживой природе Биосфера состоит из живых организмов, основанных на органических веществах, т.е. производных углерода. Из продуктов разложения органических веществ образовались каменные угли, торф, нефть, природные газы. Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита, карпина, угля и других аморфных состояниях.

Нахождение в природе Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карпонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых антрацит (9497 % С), бурые угли (6480 % С), каменные угли (76 95 %), горючие сланцы (5678 % С), нефть (8287 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (5356 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО 2, в воздухе 0,046 % СО 2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе.

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

Углерод основа жизни. Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Источником углерода для живых организмов обычно является СО 2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

А Л М А З

Алмаз Алмаз, благодаря исключительной твёрдости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области. Применение алмазов

Звезда ордена Св. Андрея Первозванного Алмаз «Шах» Скипетр императорский

Большая императорская корона Малая императорская корона

Г Р А Ф И Т Применение графита: Электроды для электролиза Облицовка сопел ракетных двигателей Смазка для трущихся поверхностей, работающих при очень высоких и очень низких температурах Стержни для карандашей Замедлители нейтронов в ядерных реакторах

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода. Так, карполен (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 играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.) Углерод в жизни человека:

Применение активированного угля Очистка питьевой воды (фильтры) Карболен- таблетки для выведения токсинов из организма Очистка воздуха (противогаз) Очистка сахара

Угольные фильтры В бытовых фильтрах, в промышленном производстве, на очистных сооружениях – уголь поглощает вредные вещества из воды

ЗЕЛИНСКИЙ Николай Дмитриевич ( ) Изобретатель противогаза

Ответьте на вопросы: Что такое аллотропные видоизменения? Какие аллотропные видоизменения углерода вы знаете? Чем отличается строение и свойства алмаза и графита? Почему? Как доказать, что алмаз и графит являются модификациями одного химического элемента? Где находят применение алмаз и графит? Перечислите аморфные углероды. В чем их отличие от аллотропных модификаций углерода? Объясните фразу «Углерод – основа жизни». В виде каких соединений в природе встречается углерод? Где используют активированный уголь?