И его круговорот в природе

Углерод как основа органических соединений

Углерод (С) - элемент IV группы периодической системы элементов; его порядковый номер (заряд ядра) 6, атомная масса 12,011. Особенность электронной структуры атомов элементов этой группы - число валентных электронов, равное 4, причем для углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Углерод - тринадцатый по распространенности элемент. Атомный кларк (среднее содержание) углерода для Земли в целом составляет около 0,1 % (А. Бранлоу, 1984 г.). В земной коре массовая доля углерода уже несколько больше - 0,14% (А. Б. Ронов, А. А. Ярошевский, 1971 г.), а в осадочной оболочке - около 1,4 % (Успенский, 1970).

Геосфера	Содержание С,%	Распределение С, %
Ядро	0,03
Мантия и базальтовая часть коры	0,08
Гранитная оболочка	0,09	1,1
Стратосфера	1,43	0,75
Почвы и илы	4,7	0,001
Биосфера	27,74	0,002

Углерод в природе находится частично в составе органических соединений, число которых чрезвычайно велико, но в основном (по массе) в виде сравнительно небольшого числа (около 200) неорганических соединений и в свободных формах. В осадочных породах он содержится главным образом в составе карбонатных минералов и органических веществ (соответственно около 80 и приблизительно 20 %). Углерод - основная часть всех животных и растений, но по массе в атмосфере его в два раза больше, чем в живой материи. В атмосфере почти весь углерод находится в составе СО₂. В гидросфере более 90 % углерода представлено в виде СО₂ и ионов СО₃^2-, НСО₃^-.

Химию органических соединений чаще всего определяют как химию соединений углерода. При этом следует отметить, что подобное определение не является следствием преобладания углерода даже в живой материи. Еще в 1934 г. Уникальность углерода выражается в следующих особенностях этого элемента:

· атомы С образуют прочные связи не только с другими атомами, но и между собой, при этом возникают цепи и кольца;

· углерод четырехвалентен, что позволяет образование не только неразветвленных, но и разветвленных цепей и колец, это приводит к возможности возникновения большого количества разнообразных структур;

· атомы С могут связываться между собой как простыми, так и двойными и тройными (кратными) связями, что дополнительно увеличивает число углеводородных соединений.

Следствием особых химических свойств углерода можно считать устойчивость его органических природных соединений.

Изотопы углерода. Изотопы (?)- атомы одного и того же химического элемента с разными массовыми числами. Различают изотопы радиоактивные и стабильные. Нуклеид - разновидность атомных ядер с определенным числом протонов и нейтронов. Углерод состоит из смеси двух изотопов ¹²С - 98,99 % и ¹³С - 1,11 %, существуют следы ¹⁴С. Первые два изопота стабильны, третий радиоактивен (табл. 3).

Таблица 3. Изотопия углерода

Нуклеид	Название изотопа	Протоны, Z	Нейтроны, N	Масс. число, A	Содержание в биосфере, вес. %
^126С	Углерод -12				98,89
^136С	Углерод-13				1,11
^146С	Углерод-14				1*10^-11

Радиоуглерод - ¹⁴С - появляется в верхних слоях атмосферы при реакции нейтронов, образованных космическим излучением, с азотом.

Аллотропные формы углерода. Аллотропия - способность элемента существовать в двух или нескольких твердых формах. Аллотропы существуют примерно у половины химических элементов.

Графит - р = 1,8277 г/см³, t _пл = 3750?С, t _кип = 4200 °С - неметалл с атомной кристаллической решеткой (гексагональная), имеет слоистую структуру, поэтому легко расщепляется на слои, оставляя след на поверхности, темно-серый, мягкий, электрическая проводимость высокая (проводник), сублимируется при температуре выше 3800 °С. Может быть искусственно получен из угля. Графит используется для изготовления электродов, плавильных тиглей, стержней для карандашей, как замедлитель в ядерных реакторах.

Алмаз - р = 3,515 г/см³ - неметалл с атомной кристаллической решеткой (кубическая), прозрачные бесцветные или белые кристаллы с сильным преломляющим эффектом, имеет наибольшую твердость среди всех природных веществ, изолятор. Он может быть искусственно получен из графита (2000 °С, 5300 МПа). Алмаз применяется при изготовлении режущего и бурового инструментов, а также как абразивный материал.

Карбин получен искусственно, состоит из полимерных линейных молекул, атомы углерода связаны чередующимися простыми и кратными связями.

Фуллерит - твердое вещество с молекулярной кристаллической решеткой, образованной молекулами С₆₀ или С₇₀, называемых фуллеренами. Основной элемент структуры фуллеренов - шестиугольник из атомов углерода. Фуллерит является полупроводником.

Дата добавления: 2013-12-12