Історична довідка. 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 в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), який довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Вуглець був визнаний хімічним елементом в 1789 Лавуазьє. Латинська назва "carboneum" карбон отримав від "carbo" - вугілля. А в 1961 Міжнародні союзи теоретичної і прикладної хімії (ІЮПАК) і з фізики взяли за одиницю атомної маси масу ізотопу вуглецю 12C, скасувавши що існувала до того кисневу шкалу атомних мас. Атомна маса вуглецю в цій системі дорівнює 12,011, так як вона є середньою для трьох природних ізотопів вуглецю з урахуванням їх поширеності в природі.
Вуглець відомий з давніх-давен. З давніх-давен відомо, що графітом можна маркувати інший матеріал, і сама назва «графіт», що походить від грецького слова, що означає «писати», запропоновано А.Вернера в 1789. Однак історія графіту заплутана, часто за нього брали речовини, що володіють подібними зовнішніми фізичними властивостями , наприклад молибденит (сульфід молібдену), у свій час вважався графітом. Серед інших назв графіту відомі «чорний свинець», «карбідне залізо», «сріблястий свинець». У 1779 К. Шеєле встановив, що графіт можна окислити повітрям з утворенням вуглекислого газу.
Алмази вперше знайшли застосування в Індії, а в Бразилії дорогоцінні камені придбали комерційне значення в 1725; родовища в Південній Африці були відкриті в 1867. У XX столітті основними виробниками алмазів є ПАР, Заїр, Ботсвана, Намібія, Ангола, Сьєрра-Леоне, Танзанія і Росія. Штучні алмази, технологія яких була створена в 1970, виробляються для промислових цілей.
Фізичні та хімічні властивості. Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском, має електропровідністю. Атоми розташовані паралельними шарами, утворюючи гексагональну решітку. Усередині шару атоми пов'язані сильніше, ніж один шар з іншим, тому графіт може розшаровуватися. Згорає при 700єС в рісутствіі кисню. Зустрічається в природі; виходить штучно. При високій температурі, тиску і рісутствіі каталізатора (марганець Mn, хром Cr, платинові метали) графіт перетворюється на алмаз. Алмаз - мінерал, що має жовтуватий, білий, сірий, зелений, рідше блакитний і чорний колір. Чи не проводить електричний струм, погано проводить тепло. У кристалі атоми вуглецю утворюють безперервний тривимірний каркас, що складається з зчленованих тетраедрів, що забезпечує високу міцність зв'язків. Алмаз - це найтвердіша речовина з усіх відомих. Температура плавлення вище 3500єС. Хімічно стійкий. Згорає при 870єС в присутності кисню. При 1800єС за відсутності кисню перетворюється в графіт. Прозорі кристали; після обробки - діаманти. Видобувають з розсипів і корінних родовищ. Синтетичний алмаз отримують з графіту при високих тиску і температурі. Він частіше напівпрозорий або непрозорий; має кристалічну структуру і властивості природного алмазу. Рідкий карбон може бути отриманий при тиску вище 10,5 Мн / мІ (105 кгс / СМІ) і температурах вище 3700єС. Кокс, сажа, деревне вугілля (твердий вуглець) мають ту ж будову, що і графіт.Для твердого вуглецю характерно також стан з неврегульованою структурою - так званий "аморфний" вуглець. яка не є самостійною модифікацією; в основі його будови лежить структура мелкокристаллического графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" вуглеводу вище за 1500-1600єС без доступу повітря викликає їх перетворення в графіт. Фізичні властивості "аморфного" вуглеводу дуже сильно залежать від дисперсності частинок і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність "аморфного" вуглецю завжди вище, ніж графіту. Карбин отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність = 2 г / смі). Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно; його структура і властивості остаточно не встановлені.
Структура алмазу (а) і графіту (б).
Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома вуглецю 2sІ2pІ. Для карбону характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої електронної оболонки до стану 2spі. Хімічна зв'язок може здійснюватися за рахунок sp3 -, sp2 - і sp - гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Число валентних електронів карбону і число валентних орбіталей однаково; це одна з причин стійкості зв'язку між атомами вуглецю.
Будова атома вуглецю.
Унікальна здатність атомів вуглецю з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних з'єднань вуглецю (вуглеводнів), що вивчаються органічною хімією.
У з'єднаннях вуглець виявляє ступеня окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77Б, ковалентні радіуси 0,77Б, 0,67Б, 0,60Б відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонної радіус
С4 2,60Б, С4 + 0,20Б. При звичайних умовах карбон хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості. Хімічна активність зменшується в ряді: "аморфний" вуглець, графіт, алмаз; взаємодія з киснем повітря (горіння) відбувається відповідно при температурах вище 300-500єС, 600-700єС і 850-1000єС з утворенням двоокису вуглецю CO2 і окису вуглецю CO.
Ізотопи вуглецю. У природі відомо сім ізотопів вуглецю, з яких істотну роль грають три. Два з них - і - є стабільними, а один - - радіоактивним (в організмі людини його міститься близько 0,1 мккюри). З використанням ізотопів вуглецю в біологічних і медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу вуглецю в природі. Так, за допомогою радіовуглецевого мітки була доведена можливість фіксації Н14СО3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакції фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, простежені шляхи біосинтезу багатьох біологічно активних сполук і т. Д. Застосування 14С сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14С в вуглецевмісних органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.
Вуглець в організмі. Вуглець - 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 клітинах за рахунок окислення вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук.
Роль вуглецю в живій природі. Унікальна роль карбону в живій природі зумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден інший елемент періодичної системи. Між атомами вуглецю, а також між вуглецем і іншими 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 вуглецю утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами вуглецю створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що всього три елемента - вуглець С, кисень О і водень Н - становлять 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих сполук невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома вуглецю лежать в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).
Згідно із загальноприйнятою гіпотезою А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абиогенное походження. Джерелами вуглецю служили метан (CH4) і ціаністий водень (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного вуглецю, за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є двоокис вуглецю (CO2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинена в природних водах у вигляді HCO-3. Найбільш потужний механізм засвоєння (асиміляції) вуглецю (у формі CO2) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами (щорічно асимілюється близько 100 млрд. Т CO2). На Землі існує і еволюційне більш древній спосіб засвоєння CO2 шляхом хемосинтезу; в цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають вуглець з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. Залежно від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізнювати автотрофні організми і гетеротрофні організми. Застосування для біосинтезу білка та інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело вуглецю вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково-технічних проблем.
Крім основної функції - джерела вуглецю - двоокис вуглецю CO2, розчинена в природних водах і в біологічних рідинах, бере участь у підтримці оптимальної для життєвих процесів кислотності середовища. У складі CaCO3 вуглець утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних (наприклад, раковини молюсків), а також міститься в коралах, яєчній шкаралупі птахів і ін. Такі сполуки вуглецю, як HCN, CO, CCl4, що переважали в первинній атмосфері Землі в добіологічних період, надалі , в процесі біологічної еволюції, перетворилися на сильних антіметаболіти обміну речовин.
Кругообіг вуглецю. Вуглець - основний біогенний елемент; він грає найважливішу роль в утворенні живої речовини біосфери. Вуглекислий газ з атмосфери в процесі фотосинтезу, здійснюваного зеленими рослинами, асимілюється і перетворюється в різноманітні й численні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон, завдяки винятковій швидкості розмноження продукують в рік близько 1,5 · 10№№ т вуглецю у вигляді органічної маси, що відповідає
5,86 · 10Іє Дж (1,4 · 10Ієкал) енергії. Рослини частково поїдаються тваринами (при цьому утворюються більш-менш складні харчові ланцюги). В остаточному підсумку органічна речовина в результаті дихання організмів, розкладання їх трупів, процесів бродіння, гниття і горіння перетворюється на вуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, в свою чергу, дають початок багатьом ін. Каустобиолитам - кам'яним вугіллям, нафти, пальним газам.
У процесах розпаду органічних речовин, їх мінералізації величезну роль грають бактерії (наприклад, гнильні), а також багато гриби (наприклад, плісняви).
В активному круговороті вуглецю бере участь дуже невелика частина всієї його маси. Величезна кількість вугільної кислоти законсервовано у вигляді викопних вапняків та інших порід. Між вуглекислим газом атмосфери і водою океану, в свою чергу, існує рухлива рівновага.
У т В г на 1 см І поверхні Землі
Тварини 5 · 109 0,0015
Рослини 5 · 10№№ 0,1
Атмосфера 6,4 · 10№№ 0,125