Углерод

УГЛЕРОД

 

 

 Открытие и  название 

 Люди имели представление  об углероде начиная с самых  ранних времен. Когда пещерные люди развели костер, они увидели дым. Черный цвет дыма вызван несожженными частицами углерода. Дым, возможно, оседал на потолке пещеры, как сажа.

 Позже, когда были  изобретены лампы, люди использовали керосин в качестве топлива. При сгорании, углерод вступает в реакцию, образуя закопченное покрытие на внутренней поверхности лампы. Эта форма углерода стала известна как ламповая копоть. Её также часто смешивали с оливковым маслом или бальзамом для десен, для получения чернил. Древние египтяне иногда использовали ламповую копоть, как подводку для глаз.

 Одним из наиболее  распространенных форм углерода  является древесный уголь. Древесный уголь производится при нагревании древесины без доступа воздуха, таким образом, она не загорается. Вместо этого, выделяются пары воды, в результате чего остается чистый углерод. Этот метод для производства древесного угля было известен еще в Римской цивилизации (509 до н.э.- 476 н.э.).

 Французский физик Антуан Рене Ферчаулт Реомюра (1683-1757) считал, что углерод может быть элементом. Он изучал различия между кованым железом, чугуном и сталью. Основное различие между этими материалами, по его словам, это наличие "черного горючего материала", который, как он предполагал, присутствовал в древесном угле.

 Углерод был официально  классифицирован как элемент в конце восемнадцатого века. В 1787 году четыре французских химика написали книгу, в которой описали метод обозначения химических веществ. Название, которое они использовали - «Углерод» (карбон), основан на белее раннем латинском термине для производства древесного угля: «сибирская язва».

  Уголья, сажа (почти чистый углерод), а также алмаз являются почти чистыми формами углерода.

 Физические  свойства 

 Углерод существует  в нескольких аллотропных формах. Аллотропными называются формы одного элемента с различными физическими и химическими свойствами. Два аллотропные модификации углерода имеют кристаллическую структуру: алмаз и графит. В кристаллическом веществе, атомы расположены в аккуратно упорядоченные картины. Графит находится в "сердцевине" карандаша и смазочных материалах для шарикоподшипников. Среди некристаллических аллотропных форм углерода выделяют уголь, ламповую сажу, древесный уголь, сажу, и кокс. Углерод черен подобно саже. Кокс (почти чистый углерод) образуется при нагревании угля без доступа воздуха.

 Аллотропные модификации углерода имеют различные химические и физические свойства. Например, алмаз самый твердый из всех известных природных веществ. Он имеет 10 баллов по шкале Мооса. Шкала Мооса – это способ выражения твердости материала. Она идет от 0 (тальк) до 10 (алмаз). Температура плавления алмаза составляет около 3700 ° C (6700 ° F), температура кипения около 4200 ° C (7600 ° F). Его плотность 3,50 грамма на кубический сантиметр.

 С другой стороны, графит очень мягкий материал. Его часто используют в качестве "сердцевины" карандашей. Он имеет твердость от 2,0 до 2,5 баллов по шкале Мооса. Графит не плавится при нагревании, а возгоняется при температуре около 3650 ° C (6,600 ° F). Сублимация – это процесс, при котором вещество при нагревании переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Его плотность составляет около 1,5 – 1,8 грамма на кубический сантиметр. Численное значение этого свойства меняется в зависимости от места, где был добыт графита.

 Аморфные формы углерода, как и другие некристаллические материалы, не имеют четкой температуры плавления и кипения. Их плотность зависит от того, где они производятся.

 Химические  свойства 

 Углерод не растворяется  и не реагирует с водой, кислотами и большинством других материалов. Однако, он вступает в реакцию с кислородом. Он горит на воздухе с образованием двуокиси углерода (CO ₂₎ и окиси углерода (CO). Горение угля привело к промышленной революции (1700-1900).

 Другим очень важным и очень необычным свойством углерода является его способность образовывать длинные цепи. Это соединение двух атомов углерода друг с другом. Кислород (O_2), азот (N_2), водород (H_2), хлор (Cl₂₎ и бром (Br_2), вот некоторые из элементов, которые могут это делать. Некоторые элементы могут образовывать намного больше цепей атомов. Кольца 6 и 8 атомов серы (S₆ и S₈)_, например, не являются необычными.

 Углерод имеет возможность  делать практически бесконечные цепочки атомов. Если бы можно было посмотреть на молекулы практически любой пластичности, например, длинная цепь атомов углерода, привязанных друг к другу (и других атомов), будет очевиден. Углеродные цепи могут быть еще более сложными. Некоторые цепи имеют боковые разветвления.

 Композиция из атомов углерода в алмазе.

 Не существует практически никаких ограничений на размер и форму молекул, которые могут быть сделаны из атомов углерода. 

 Недавно обнаружены новые формы чистого углерода – фуллерены. Это сферы, состоящие из 60 связанных атомов углерода.

 Распространение в природе

  Углерод является шестым по распространению элементом во вселенной и четвертым по распространению элементом в Солнечной системе. Это второй по распространению элемент в организме человека после кислорода. Он составляет около 18 процентов от веса тела человека.

 Углерод является 17 по распространению элементом в земной коре. Его изобилие, по оценкам, составляет от 180 до 270 миллионных долей. Он встречается редко, как алмаз или графит.

 Обе аллотропные модификации образовались в земле миллионы лет назад, при сжатии мертвых растительных материалов при очень высоких температурах. Алмазы обычно находятся на сотни и тысячи футов ниже поверхности Земли. В Африке находятся множество подобных рудников.

 Углерод встречается  также и в ряде минералов.  Среди наиболее распространенных из этих минералов являются карбонаты кальция (CaCO₃₎ и магния (MgCO_3). Углерод встречается также и в форме углекислого газа (CO₂₎ в атмосфере. Углекислый газ составляет лишь небольшую часть атмосферы (примерно 300 миллионных долей), и является одним из важнейших газов. Растения выделяют углекислый газ в атмосферу в процессе фотосинтеза.  Фотосинтез – это процесс, при котором растения конвертируют углекислый газ и воду в углеводы (крахмал и сахар). Этот процесс является источником жизни на Земле.

 Углерод встречается также и в угле, нефти и природном газе. Эти материалы часто называют ископаемыми видами топлива. Они получили свои названия из-за способа их образования. Они образовались из остатков растений и животных, которые жили миллионы лет назад. Когда они умерли, они упали в воду или попали в грязь. Миллионы лет, они медленно разлагались. Продуктами процесса разложения стали уголь, нефть и природный газ.

 Некоторые из них являются почти чистым углеродом. Нефть и природный газ производятся в основном из углеводородов, которые являются соединениями углерода и водорода.

 Получение

 Алмаз, графит, и другие формы углерода добываются непосредственно из шахты из-под земли. Алмаз и графит могут быть получены в лаборатории. Синтетические алмазы, например, производятся путем размещения чистого углерода при очень высоких давлениях (около 800000 фунтов на квадратный дюйм) и температурах (около 2700 ° C). Углерода нагревают и сжимают так же, органический материал нагревается и сжимается в земле. Сегодня примерно треть всех используемых алмазов, получают синтетическим путем.

  Применение

  Есть много применений двух ключевых аллотропных модификаций углерода, алмаза и графита. Алмазы являются одними из самых красивых и дорогих драгоценных камней в мире. Но они также много применяются в промышленных целях. Бит-сверлильный станок для добычи нефть может быть изготовлен из алмазов. Инструмент, используемый для создания тонких вольфрамовых проводов, также изготавливается из алмазов.

  Синтетические алмазы более широко используется в промышленности, чем в ювелирных изделиях. Промышленные алмазы могут иметь больше недостатков, чем ювелирные алмазы.

 Графит хорошо используется как карандаш, потому, что он легко стирается. Он также используется в качестве смазочного материала. Графит добавляется в пространство между деталями, которые трутся друг о друга. Графит позволяет частям детали скользить друг по другу плавно.

 Графит используется  также в качестве огнеупора.  Огнеупорный материал может выдерживать очень высокие температуры, отражая тепло от себя. Огнеупорные материалы используются вдоль линии плиты для поддержания высоких температур.

  Графит используется на атомных электростанциях. АЭС – это станции, на которых происходит преобразования ядерной энергии в электрическую. Графит выступает в качестве модератора к замедлению нейтронов, используемых в ядерной реакции.

 Графит используется для изготовления черной краски, взрывчатых веществ и спичек, а в некоторых электронно-лучевых трубках в виде луча, как и в тех, которые используются в телевизорах.

 Аморфных форм углерода  также широко применяются. Они используются для изготовления черной краски, резиновых шин, пишущих машинок лентами и пластинок.

 Одна из форм углерода известна как активированный уголь. В таком виде уголь может использоваться как фильтр и удалять примеси из жидкостей. Например, активированный уголь удаляет цвет и запах масла и водных растворов.

 Распад углерода-14 позволяет археологам найти возраст когда-то живших материалов.

 Действия на здоровье

 Углерода имеет важное  значение для жизни.  Почти каждая молекула в живом организме содержит углерод. Исследование углеродных соединений, которые находятся в живых организмах, называется биохимия (био + жизнь = химия).

 Углерод также может оказывать вредное воздействие на организм. Например, у шахтеров иногда развивается такое заболевание, как «рак» легких. Вместо розовых и здоровых, легкие шахтеров - черные. Черный цвет обусловлен угольной пылью, вдыхаемой шахтером. Чем больше шахтер добыл угля, тем больше угольной пыли он вдыхает. Легкие рабочего становятся все более и более черными.

 Однако не цвет проблема заболевания легких. Угольная пыль в легких забивает крошечные отверстия, через которые кислород попадает в легкие. По мере накопления угольной пыли, отверстия закупориваются, что затрудняет дыхание шахтера. Многие шахтеры в конечном итоге умирают от «рака» легких, поскольку утрачивается способность дышать.

 Углерода имеет важное  значение для жизни.  Почти каждая молекула в живом организме содержит углерод.

 Отравление угарным газом является одной из серьёзнейших проблем здравоохранения. Так, например, сгорание бензина в легковых и грузовых автомобилях производит окись углерода. Сегодня почти каждый человек в Соединенных Штатах вдыхает некоторое количество окиси углерода каждый день.

 Небольшое количество окиси углерода не очень опасно. Но большие объемы могут стать причиной различных проблем со здоровьем. При небольших количествах, оксид углерода вызывает головные боли, головокружение, тошноту и потеря равновесия. При большем количестве, человек может потерять сознание. При еще большем количестве, окись углерода может привести к смерти.