Происхождение названия[править | править исходный текст]

В начале XIX века в русской химической литературе иногда применялся термин «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод». Соединения углерода имеют в названии частькарб(он)- от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь».

Физические свойства[править | править исходный текст]

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Изотопы углерода[править | править исходный текст]

Основная статья: Изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — ¹²С (98,93 %) и ¹³С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа ¹⁴С (β-излучатель, Т_½= 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: ¹⁴N (n, p) ¹⁴C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работыАЭС и в результате испытания водородных бомб.

На образовании и распаде ¹⁴С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Аллотропные модификации углерода[править | править исходный текст]

Упрощённая фазовая диаграмма углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации могут быть метастабильны. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — жидкость, vapor — газ)

Схемы строения различных модификаций углерода a: алмаз, b: графит, c: лонсдейлит d: фуллерен — бакибол C₆₀, e: фуллерен C₅₄₀, f: фуллерен C₇₀ g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка

Основная статья: Аллотропия углерода

Кристаллический углерод[править | править исходный текст]

• Алмаз

• Графен

• Графит

• Карбин

• Лонсдейлит

• Наноалмаз

• Фуллерены

• Фуллерит

• Углеродное волокно

• Углеродные нановолокна

• Углеродные нанотрубки

Аморфный углерод[править | править исходный текст]

• Активированный уголь

• Древесный уголь

• Ископаемый уголь: антрацит и др.

• Кокс каменноугольный, нефтяной и др.

• Стеклоуглерод

• Техуглерод

• Сажа

• Углеродная нанопена

На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.

Кластерные формы[править | править исходный текст]

• Астралены

• Диуглерод

• Углеродные наноконусы

Структура[править | править исходный текст]

Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных геометрии атома углерода.

• тетраэдрическая, образуется при смешении одного s- и трёх p-электронов (sp³-гибридизация). Атом углерода находится в центре тетраэдра, связан четырьмя эквивалентными σ-связями с атомами углерода или иными в вершинах тетраэдра. Такой геометрии атома углерода соответствуют аллотропные модификации углерода алмаз и лонсдейлит. Такой гибридизацией обладает углерод, например, в метане и других углеводородах.

• тригональная, образуется при смешении одной s- и двух p-электронных орбиталей (sp²-гибридизация). Атом углерода имеет три равноценные σ-связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Не участвующая в гибридизации p-орбиталь, расположенная перпендикулярно плоскости σ-связей, используется для образования π-связи с другими атомами. Такая геометрия углерода характерна для графита, фенола и др.

• дигональная, образуется при смешении одного s- и одного p-электронов (sp-гибридизация). При этом два электронных облака вытянуты вдоль одного направления и имеют вид несимметричных гантелей. Два других р-электрона дают π-связи. Углерод с такой геометрией атома образует особую аллотропную модификацию — карбин.

В 2010 году сотрудиники университета Ноттингема Стивен Лиддл и коллеги получили соединение (мономерный дилитио метандий), в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости^[7]. Ранее возможность «плоского углерода» была предсказана Паулем фон Шлейером для вещества  , но оно не было синтезировано.