Вуглець
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Вугле́ць (рос. углерод, англ. carbon, нім. Kohlenstoff m) належить до поширених елементів земної кори (близько 0,1% маси земної кори). Сполуки вуглецю є основою всіх рослинних і тваринних організмів. Символ С, ат.н. 6, ат.м. 12,011. За звичайних умов В. хім. інертний, при високих температурах сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні віднов. властивості. Найважливіша властивість В. - здатність його атомів утворювати міцні хім. зв'язки між собою, а також між собою та ін. елементами. Здатність В. утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з ін. атомами дозволяє будувати вуглецеві скелети різних типів (лінійні, розгалужені, циклічні); саме цими властивостями і пояснюється виключна роль В. в будові всіх органіч. сполук і, зокрема, всіх живих організмів.
Зміст |
[ред.] Фізичні властивості
[ред.] Алотропні видозміни
Вуглець утворює декілька видозмін: природні — алмаз, графіт, лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки і штучні: карбін, аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.
Алмаз - прозора безбарвна або трохи забарвлена домішками в різноманітні відтінки кристалічна речовина. Він яскраво блищить внаслідок сильного заломлення проміння. Алмаз — найтвердіший серед усіх відомих речовин. Завдяки своїй надзвичайній твердості він широко застосовується при бурінні твердих гірських порід, обробці твердих металів і їх сплавів тощо. Відшліфовані безбарвні кристали алмазу — брильянти — коштовні прикраси.
Найбільші родовища алмазу розташовані в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.
Графіт — темно-сіра непрозора дрібнокристалічна речовина, жирна на дотик. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм і тепло і дуже м'який. Графіт у великих кількостях одержують штучно — нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах при температурі близько 3000°С і підвищеному тиску без доступу повітря. Штучний графіт відзначається високою чистотою і м'якістю. За своїми якостями він кращий за природний. Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною для виробництва вогнетривких тиглів. З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральним маслом його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.
Різка відмінність у фізичних властивостях алмазу і графіту обумовлюється їх різною кристалічною будовою. В кристалах алмазу кожний атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, розміщеними на однаковій віддалі один від одного. В кристалах графіту атоми вуглецю розміщені у вуглах правильних шестикутників в одній площині і утворюють окремі шари. Віддаль між окремими шарами більша, ніж між атомами в тому ж шарі. Внаслідок цього зв'язок між окремими шарами значно слабший, ніж між атомами того ж шару. Тому кристали графіту легко розщеплюються на окремі лусочки, які самі по собі досить міцні.
Карбін - штучно отриманий різновид В. який являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору, кристалічна структура якого характеризується наявністю довгих ланцюжків атомів В., розташованих паралельно. Густина 3,23-3,30.
Фулерен - специфічна вуглецева структура, молекула якої має вигляд м'яча. Внутрішня частина молекули пуста, що обумовлює широкі можливості для одержання на основі фулерену сполук включення.
Вуглецеві нанотрубки - специфічна вуглецева структура в якій атоми вуглецю утворюють поверхню, що "скручена" в трубку нанорозмірів. Має унікальні фізичні властивості, зокрема міцність на розрив, адсорбційну здатність. Активно досліджується і має великі перспективи для використання. Вуглецеві нанотрубки виявлені у природі (шунгіт) і одержані штучно.
Аморфний вуглець - стан вуглецю з неврегульованою структурою - (сажа, кокс, деревне вугілля). У природі не зустрічається. Його одержують штучно з різних сполук, що містять вуглець. Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фіз. властивості “аморфного" В. в значною мірою залежать від дисперсності частинок і від наявності домішок.
Найважливішими технічними сортами аморфного вуглецю є сажа і деревне вугілля. Сажа являє собою найчистіший аморфний вуглець. У промисловості сажу одержують головним чином термічним розкладом метану, а також при спалюванні різних органічних речовин при недостатньому доступі повітря. Сажу широко використовують як наповнювач при виробництві гуми з каучуку, а також для виготовлення друкарської фарби, туші тощо.
Деревне вугілля добувають при нагріванні дерева без доступу повітря у спеціальних печах. Його застосовують у металургії для одержання високих сортів чавуну і сталі, в ковальській справі, для виготовлення чорного пороху і як адсорбент.
Лонсдейліт виявлений у метеоритах і отриманий штучно; його структура і фіз. властивості остаточно не встановлені.
[ред.] Хімічні властивості
Хімічна активність різних алотропних видозмін вуглецю різна. Алмаз і графіт майже не вступають в хімічні реакції. Вони можуть реагувати лише з чистим киснем і то тільки при дуже високій температурі.
Аморфний вуглець (а також вугілля) при звичайній температурі досить інертний, але при сильному нагріванні його активність різко зростає і він безпосередньо сполучається з багатьма елементами. Так, при нагріванні на повітрі вугілля горить, утворюючи діоксид вуглецю:
- C + O2 = CO2
При недостатньому доступі кисню повітря він частково згоряє до монооксиду вуглецю CO, в якому вуглець двовалентний:
- 2C + O2 = 2CO
Коли через розжарене вугілля пропускати пари сірки, то утворюється сірковуглець:
- C + 2S = CS2
При високій температурі вугілля досить сильний відновник. Воно віднімає кисень від оксидів багатьох металів. Наприклад:
- 2CuO + C = 2Cu + CO2↑
Використовуючи цю здатність, вугілля широко застосовують в металургії для добування металів з руд.
Ступені окислення +4, −4, рідко +2 (З, карбіди металів), +3 (C2N2, галогенциани); спорідненість до електрона 1,27 эВ; енергія іонізації при послідовному переході від С0 до С4+ відповідно 11,2604, 24,383, 47,871 і 64,19 эВ.
[ред.] Органічні сполуки
Завдяки здатності вуглецю утворювати полімерні ланцюжки, існує величезний клас з'єднань на основі вуглецю, яких значно більше, чим неорганічних, і вивченням яких займається органічна хімія. Серед них найбільш обширні групи: вуглеводні, білки, жири та ін.
[ред.] Розповсюдження
Вуглець в природі зустрічається як у вільному стані (алмаз, графіт), карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки, так і у вигляді різноманітних сполук. Сер. вміст В. у земній корі 2,3·10-2 % (мас); при цьому осн. маса В. концентрується в осадових гірських породах.
В. накопичується у верх. частині земної кори, де його присутність пов'язана в осн. з живою речовиною, кам. вугіллям, нафтою, антрацитом, а також з доломітами і вапняками. Відомо понад 100 мінералів В., з яких найбільш поширені карбонати кальцію, магнію і заліза Важливу роль В. має і в космосі; на Сонці В. займає 4-е місце за поширеністю після водню, гелію і кисню, бере участь у ядерних процесах. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку — CaCO3, доломіту — CaCO3•MgCO3, магнезиту — MgCO3, малахіту — CuCO3•Cu(OH)2 тощо.
[ред.] Біологічна роль
Сполуки вуглецю є основою всіх рослинних і тваринних організмів.
[ред.] Застосування
Деревне вугілля має здатність адсорбувати (поглинати) на своїй поверхні різні гази і деякі розчинені речовини з розчинів. Адсорбція відбувається поверхнею вугілля, тому воно здатне поглинати (адсорбувати) тим більшу кількість речовин, чим більша його сумарна поверхня, тобто чим більше воно роздрібнене або пористе. Пористість, а разом з тим і адсорбційна здатність деревного вугілля різко збільшується при попередньому нагріванні в струмені водяної пари. При цьому пори вугілля очищаються від смолистих речовин і його внутрішня поверхня сильно збільшується. Таке вугілля називається активованим.
Активоване деревне вугілля широко використовують у цукровому виробництві для очистки цукрового сиропу від домішок, що надають йому жовтого забарвлення, в спиртовому виробництві для очистки винного спирту від сивушних масел, в деяких виробництвах для вловлювання парів цінних летких речовин — бензину, ефіру, сірковуглецю, бензолу тощо з наступним видаленням їх при нагріванні.
У першу світову війну активоване вугілля за пропозицією академіка М. Д. Зелінського було використано в протигазах для захисту органів дихання від отруйних газів, зокрема від хлору, який німецькі мілітаристи застосували в 1915 р. проти французьких військ. Активоване вугілля як адсорбент застосовується і в сучасних протигазах.
[ред.] Поглинання вуглецю
Звичайно стосується поглинання вуглецю такими поглиначами, як океани, ліси або ґрунти, які утримують вуглець поза атмосферою.
[ред.] Дивись також
[ред.] Джерела
- Ф. А. Деркач "Хімія" Л. 1968.
- Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. ISBN 966-7804-14-3
- Саранчук В.И. и др. Углерод: неизвестное об известном. - Донецк: УК Центр, 2006.