Нахождение в природе

Углерод – это неметалл. Он достаточно широко распространен в природе. Массовая доля его в земной коре составляет ≈ 0,1% (13 место среди всех элементов), а мольная доля – ≈ 0,14% (11 место среди всех элементов).

В природе углерод находится в виде двух стабильных нуклидов ¹²С (98,892%) и ¹³С (1,108%). Под действием космических лучей в земной атмосфере образуется также некоторое количество радиоактивного нуклида (период полураспада Т_1/2 = 5720 лет): , который с кислородом образует ¹⁴СО₂.

Содержание в воздухе радиоактивного углерод(IV)-оксида строго постоянно. Участвуя вместе с обычными молекулами ¹²СО₂ в биологическом круговороте, он ассимилируется растениями, вследствие чего они на протяжении своей жизни обладают определенной постоянной интенсивностью радиоактивности. Если растение отмирает и выпадает из биологического цикла, то содержание ¹⁴С в нем уже не поддерживается на постоянном уровне и постепенно уменьшается за счет радиоактивного распада. По снижению уровня радиоактивности нуклидов ¹⁴С в растительных остатках судят об их возрасте, что широко используется в археологии.

На Земле элемент С встречается как в свободном, так и в связанном виде. Углерод способен образовывать несколько простых веществ, из них в природе встречаются, главным образом, алмаз и особенно широко графит (образует на суше обширные месторождения, в которых его содержание может составлять несколько миллионов тонн).

В связанном виде углерод входит в состав тканей живых организмов и растений, образуя каркас молекул многочисленных биоорганических соединений: белков, аминокислот, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот.

Большие количества углерода содержатся в ископаемых останках животных и растений: угле, нефти, торфе, природном газе.

Природными неорганическими соединениями углерода являются соли угольной кислоты – карбонаты. Из них наиболее известным минералом является кальцит CaCO₃, который может существовать в виде трех модификаций: известняка, мрамора и мела. Из кристалликов кальцита состоят кораллы, раковины моллюсков, драгоценный камень – жемчуг. Существует прозрачная разновидность кальцита – исландский шпат. Он способен к двулучепреломлению света и через его кристаллы любой предмет видится раздвоенным.

Среди других карбонатов наиболее известны минералы: доломит CaCO₃ ∙ MgCO₃, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃, малахит (CuOH)₂CO₃.

Определенное количество углерода в виде углекислого газа СО₂ постоянно содержится в земной атмосфере (~0,03% по объему).

Физические свойства углерода

Элемент углерод образует 4 аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин и фуллерен. Все они являются твердыми веществами и отличаются друг от друга строением кристаллической решетки (рис. 10).

Рис. 10. Строение кристаллических решеток алмаза (а), графита (б) и молекулы фуллерена С₆₀ (в)

Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество с кристаллической решеткой атомного типа. Он характеризуется исключительной твердостью (способен резать стекло), хорошо преломляет свет. Искусственно ограненные алмазы – бриллианты отличаются изумительной игрой света и входят в разряд наиболее дорогих драгоценных камней. В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации и образует 4 ковалентные равноценные σ-связи с другими атомами. Величина валентного угла при этом равна примерно 109^о, а длина С – С связи – 0,154 нм (рис. 8). Подобно всем веществам с атомной кристаллической решеткой алмаз тугоплавок и хрупок.

Графит – мягкое, легко расслаивающееся вещество серо-черного цвета с металлическим блеском, на ощупь кажется жирным, проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp²-гибридизации и расположены отдельными слоями, образованными соединенными между собой плоскими шестиугольными кольцами, которые напоминают бензольные ядра. За счет гибридных орбиталей каждый атом С в таком кольце образует три σ-связи с соседними атомами. Негибридные 2р-орбитали расположены перпендикулярно к этим кольцам (рис. 11) и в пределах каждого слоя перекрываются друг с другом боковым способом, образуя делокализованную по всему слою π-связь. Такая делокализация электронов обуславливает их высокую подвижность, вследствие чего графит в направлении слоя хорошо проводит электрический ток.

Рис. 11. Ориентация негибридных 2р-орбиталей атомов углерода в слоях графита

Отдельные углеродные слои объединяются в кристаллическую решетку за счет межмолекулярных сил, которые значительно слабее ковалентных связей, поэтому графит довольно легко расслаивается. При нагревании под большим давлением графит может превращаться в алмаз.

Карбин представляет собой черный порошок (ρ = 1,9-2,0 г/см³). Его кристаллическая решетка образована прямолинейными цепочками С_n, в которых каждый атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации и образует по 2σ- и 2π-связи. Строение таких углеродных макромолекул можно представить следующим образом: –С ≡ С – С ≡ С – С ≡ С–. Известна и другая полимерная форма карбина поликумулен =С=С=С=С=С=.

Карбин сперва был синтезирован искусственно, а затем его обнаружили в природе. Он известен сравнительно недавно и его свойства интенсивно изучаются.

При сильном нагревании карбин превращается в графит.

Фуллерен – четвертая аллотропная модификация углерода. Его молекулы содержат четное число атомов С и имеют состав С₆₀, С₇₀, С₈₀ и т.д. Они представляют собой полые шары, поверхность которых состоит из пяти- и шестиугольников, образованных атомами углерода, находящимися в состоянии sp²-гибридизации (рис. 10).

Фуллерен представляет собой кристаллическое вещество черного цвета с металлическим блеском. При давлении порядка 2 ∙ 10⁷ кПа и комнатной температуре он может превращаться в алмаз.

Существует еще аморфный углерод или уголь, образующийся при нагревании углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Тщательные исследования показали, что аморфный углерод состоит из беспорядочно расположенных частиц графита.

В зависимости от происхождения аморфный углерод называется по-разному: кокс, древесный уголь, костяной уголь, сажа.

Сажа образуется при термическом разложении летучих углеводородов на простые вещества.

Кокс получается при сухой перегонке каменного угля.

Древесный уголь получают нагреванием древесины без доступа воздуха. Благодаря пористому строению, древесный уголь обладает высокой адсорбционной способностью.

Костяной уголь получается путем обугливания обезжиренных костей. По свойствам близок к древесному углю.

При записи уравнений химических реакций аллотропные модификации углерода для упрощения обозначаются буквой С.

Наибольшей реакционной способностью из них обладает графит. Свойства карбина и фуллерена в достаточной степени еще не изучены, что сопряжено со сложностью их получения.