Вуглець - це... Атом вуглецю. Маса вуглецю

Одним з найдивовижніших елементів, який здатний формувати величезну кількість різноманітних сполук органічної і неорганічної природи, є вуглець. Це настільки незвичайний за властивостями елемент, що ще Менделєєв пророкував йому велике майбутнє, кажучи про не розкритих поки особливості.

Пізніше це підтвердилося практично. Стало відомо, що він - основний біогенний елемент нашої планети, що входить до складу абсолютно всіх живих істот. Крім цього, здатний існувати в таких формах, які кардинально різняться за всіма параметрами, але при цьому складаються тільки з атомів вуглецю.

загалом, особливостей у цієї структури багато, саме з ними і постараємося розібратися в ході статті.

Вуглець: формула і становище в системі елементів

У періодичній системі елемент вуглець розташовується в IV (за новим зразком 14) групі, головній підгрупі. Його порядковий номер 6, а атомна вага 12,011. Позначення елемента знайомий Із говорить про його назву на латині - carboneum. Є кілька різних форм, у яких існує вуглець. Формула його тому буває різна і залежить від конкретної модифікації.

Проте для написання рівнянь реакцій позначення конкретне, звичайно, є. Загалом, коли йдеться про речовину в чистому вигляді, прийнята молекулярна формула вуглецю, без індексації.

Історія відкриття елементу

Сам по собі цей елемент відомий з самої давнини. Адже один з найголовніших мінералів у природі - це кам'яне вугілля. Тому для давніх греків, римлян та інших народностей секретом він не був.

Більше:

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі є одним з найбільших досягнень науки ХХ століття. Тим не менш, як це ні парадоксально, цьому великому науковому і технічному досягненню значною мірою сприяла холодна війна між двома наддержавами: США і Радянським Союзом....

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Спробуємо розібратися, що таке соціалізація, в чому її сутність і особливість. Адже для кожної особистості входження у суспільство і засвоєння його основних норм є фундаментом до подальшої безпроблемною і успішного життя і діяльності. Отже, що таке с...

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Згідно із законом королівства Великобританія, спадкоємець британського престолу - це старший закононароджена син чинного монарха або ж попереднього претендента на престол. Однак якщо у царюючого особи немає дитини чоловічої статі, то право спадкуванн...

Крім цього різновиду, також використовували алмази і графіт. З останнім довгий час було багато заплутаних ситуацій, так як часто без аналізу складу за графіт приймали такі сполуки, як:

• сріблястий свинець;
• карбід заліза;
• сульфід молібдену.

Всі вони були пофарбовані в чорний колір і тому вважалися графітом. Пізніше це непорозуміння було роз'яснено, і дана форма вуглецю стала сама собою.

З 1725 року велике комерційне значення набувають алмази, а в 1970 освоєна технологія отримання їх штучним шляхом. З 1779 року, завдяки роботам Карла Шеєле, вивчаються хімічні властивості, які проявляє вуглець. Це послужило початком низки найважливіших відкриттів в області даного елемента і стало основою для з'ясування всіх його унікальних особливостей.

Ізотопи вуглецю і поширення в природі

Незважаючи на те що розглянутий елемент - один з найважливіших біогенних, його загальний вміст в масі земної кори становить 0,15 %. Так відбувається від того, що він піддається постійній циркуляції, природного кругообігу в природі.

У цілому можна назвати кілька сполук мінерального характеру, до складу яких входить вуглець. Це такі природні породи, як:

• доломіти та вапняки;
• антрацит;
• горючі сланці;
• природний газ;
• кам'яне вугілля;
• нафту;
• буре вугілля;
• торф;
• бітуми.

Крім цього, не слід забувати і про живих істот, які є просто сховищем вуглецевих сполук. Адже їм утворені білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, а значить найбільш життєво важливі структурні молекули. В цілому на перерахунок сухий маси тіла 70 кг 15 припадає на чистий елемент. І так у кожної людини, не кажучи вже про тварин, рослинах та інших істот.

Якщо ж розглянути склад повітря і води, тобто гідросферу в цілому і атмосферу, то тут присутня суміш вуглець-кисень, виражається формулою₂. Діоксид або вуглекислий газ - один з основних газів, складових повітря. Саме в такому вигляді масова частка вуглецю становить 0,046%. Ще більше розчинено вуглекислого газу у водах Світового океану.

Атомна маса вуглецю як елемента становить 12,011. Відомо, що дана величина розраховується як середнє арифметичне між атомними вагами всіх існуючих в природі ізотопних різновидів, з урахуванням їх поширеності (в процентному співвідношенні). Так відбувається і у аналізованого речовини. Є три головних ізотопу, у вигляді яких знаходиться вуглець. Це:

• ¹²С - його масова частка в переважній більшості становить 98,93 %;
• ¹³С - 1,07 %;
• ¹⁴С - радіоактивний, період напіврозпаду 5700 років, стійкий бета-випромінювач.

У практиці визначення геохронологического віку зразків широко застосовується радіоактивний ізотоп ¹⁴С, який є індикатором, завдяки своєму тривалому періоду розпаду.

Алотропні модифікації елемента

Вуглець - це такий елемент, який у вигляді простої речовини існує в декількох формах. Тобто він здатний формувати саме велике з відомих на сьогодні число аллотропних модифікацій.

1. Кристалічні варіації - існують у вигляді міцних структур з правильними гратами атомного типу. До даної групи відносяться такі різновиди, как:

• алмазы;
• фуллерены;
• графиты;
• карбины;
• лонсдейлиты;
• вуглецеві волокна і трубки.

Всі вони розрізняються будовою кристалічної решітки, у вузлах яких - атом вуглецю. Звідси і абсолютно унікальні, не схожі властивості, як фізичні, так і хімічні.

2. Аморфні форми - їх утворює атом вуглецю, що входить до складудеяких природних сполук. Тобто це не чисті різновиди, а з домішками інших елементів в незначній кількості. В дану групу входять:

• активоване вугілля;
• кам'яний і деревний;
• сажа;
• вуглецева нанопена;
• антрацит;
• скловуглець;
• технічна різновид речовини.

Їх також об'єднують особливості будови кристалічної решітки, що пояснюють і проявляються властивості.

3. Сполуки вуглецю у вигляді кластерів. Така структура, при якій атоми утворюють особливу порожнисту зсередини конформацію, яку заповнюють водою або ядрами інших елементів. Приклади:

• вуглецеві наноконусы;
• астралены;
• диуглерод.

Фізичні властивості аморфного вуглецю

З-за великої різноманітності аллотропних модифікацій, виділити якісь загальні фізичні властивості вуглецю складно. Простіше говорити про конкретній формі. Так, наприклад, аморфний вуглець володіє наступними характеристиками.

1. В основі всіх форм - дрібнокристалічні різновиди графіту.
2. Висока теплоємність.
3. Хороші провідникові властивості.
4. Щільність вуглецю близько 2 г/см³.
5. При нагріванні понад 1600 ⁰відбувається перехід до графітові форми.

Сажа, деревне вугілля та кам'яні різновиди знаходять широке застосування в технічних цілях. Вони не є проявом модифікації вуглецю в чистому вигляді, проте містять його в дуже великій кількості.

Кристалічний вуглець

Існує кілька варіантів, в яких вуглець - речовина, що формує правильні кристали різного виду, де атоми з'єднуються послідовно. У результаті відбувається утворення наступних модифікацій.

1. Алмаз. Структура - кубічна, в якій з'єднуються чотири тетраедра. В результаті всі ковалентні хімічні зв'язки кожного атома максимально насичені і міцні. Це пояснює фізичні властивості: щільність вуглецю 3300 кг/м³. Висока твердість, низька теплоємність, відсутність електричної провідності - все це є результатом будови кристалічної решітки. Існують технічно отримані алмази. Утворюються при переході графіту в наступну модифікацію під впливом високої температури і певного тиску. У цілому температура плавлення алмазу так само висока, як і міцність - близько 3500 ⁰С.
2. Графіт. Атоми розташовані подібно структурі попереднього речовини, однак відбувається насичення лише трьох зв'язків, а четверта стає довшою і менш міцною, вона з'єднує між собою "шари" гексагональних кілець решітки. У результаті виходить, що графіт - м'яку, жирну на дотик речовину чорного кольору. Володіє хорошою електричною провідністю та має високу температуру плавлення - 3525 ⁰С. Здатне до сублімації - сублімацію з твердого стану в газоподібний, оминаючи рідкий (при температурі 3700 ⁰С). Щільність вуглецю - 2,26 г/см^3, що набагато нижче такої у алмазу. Це пояснює їх різні властивості. З-за шаруватої структури кристалічної решітки, можливе використання графіту для виготовлення грифелів простих олівців. При проведенні по папері відшаровуються лусочки і залишають на папері слід чорного кольору.
3. Фулерени. Відкриті були лише у 80-х роках минулого століття. Являють собою модифікації, в яких вуглеці з'єднуються між собою в особливу опуклу замкнуту структуру, що має в центрі порожнечу. Причому форма кристала - багатогранник, правильної організації. Кількість атомів парне. Найвідоміша форма фулерен₆₀. Зразки подібного речовини були знайдені при дослідженнях:

• метеоритів;
• донних відкладень;
• фольгуритов;
• шунгитов;
• космічного простору, де містилися у вигляді газів.

Всі різновиди кристалічного вуглецю мають важливе практичне значення, оскільки володіють рядом корисних у техніці властивостей.

Хімічна активність

Молекулярний вуглець виявляє низьку хімічну активність внаслідок своєї стійкої конфігурації. Змусити його вступати в реакції можна лише повідомивши атому додаткову енергію і змусивши електрони зовнішнього рівня розпаритися. У цей момент валентність стає дорівнює 4. Тому у сполуках він має ступінь окислення + 2, + 4, - 4.

Практично всі реакції з простими речовинами, як металами, так і неметалами, протікають під впливом високих температур. Розглянутий елемент може бути як окислювачем, так і відновником. Однак останні властивості виражені у нього особливо сильно, саме на цьому грунтується застосування його у металургійній та інших галузях промисловості.

В цілому здатність вступати в хімічну взаємодію залежить від трьох факторів:

• дисперсності вуглецю;
• аллотропной модифікації;
• температури реакції.

Таким чином, у ряді випадків відбувається взаємодія з наступними речовинами:

• неметалами (воднем, киснем);
• металами (алюмінієм, залізом, кальцієм та іншими);
• оксидами металів та їх солями.

З кислотами та лугами не реагує з галогенами дуже рідко. Найважливіше з властивостей вуглецю - здатність утворювати довгі ланцюги між собою. Вони можуть замикатися в цикл, формувати розгалуження. Так відбувається утворення органічних сполук, які на сьогоднішній день обчислюються мільйонами. Основа цихсполук два елементи - вуглець, водень. Також до складу можуть входити і інші атоми: кисень, азот, сірка, галогени, фосфор, метали та інші.

Основні сполуки та їх характеристика

Існує безліч різних сполук, до складу яких входить вуглець. Формула найвідомішого з них - ₂ - вуглекислий газ. Однак крім цього оксиду, існує ще З - монооксид або чадний газ, а також недооксид₃₂.

Серед солей, до складу яких входить цей елемент, найпоширенішими є карбонати кальцію і магнію. Так, карбонат кальцію має кілька синонімів у назві, так як в природі зустрічається у вигляді:

• крейди;
• мармуру;
• вапняку;
• доломіту.

Важливе значення карбонатів лужноземельних металів проявляється в тому, що вони активні учасники процесів утворення сталактитів і сталагмітів, а також підземних вод.

Вугільна кислота - ще одне поєднання, яке утворює вуглець. Формула її - Н₂₃. Однак у звичайному вигляді вона вкрай нестійка і відразу ж у розчині розпадається на вуглекислий газ і воду. Тому відомі лише її солі, а не вона сама, як розчин.

Галогеніди вуглецю - виходять в основному непрямим шляхом, так як прямі синтези йдуть лише при дуже високих температурах і з низьким виходом продукту. Одне з найпоширеніших - CCL₄ - тетрахлорметан. Отруйна з'єднання, здатне викликати отруєння при вдиханні. Отримують при реакціях радикального фотохімічного заміщення атомів водню в метані.

Карбіди металів - з'єднання вуглецю, в яких він проявляє ступінь окислення 4. Також можливе існування об'єднань з бором і кремнієм. Головна властивість карбідів деяких металів (алюмінію, вольфраму, титану, ніобію, танталу, гафнію) - це висока міцність і відмінна електропровідність. Карбід бору В₄ - одне із самих твердих речовин після алмазу (9,5 по Моосу). Дані сполуки використовуються в техніці, а також хімічної промисловості, як джерела отримання вуглеводнів (карбід кальцію з водою призводить до утворення ацетилену і гідроксиду кальцію).

Багато сплави металів виготовляють з використанням вуглецю, значно підвищуючи тим самим їх якісні та технічні характеристики (сталь - сплав заліза з вуглецем).

Окремої уваги заслуговують численні органічні сполуки вуглецю, в яких він - основний елемент, здатний з'єднуватися з такими ж атомами в довгі ланцюги різної будови. До них можна віднести:

• алкани;
• алкени;
• арени;
• білки;
• вуглеводи;
• нуклеїнові кислоти;
• спирти;
• карбонові кислоти і багато інші класи речовин.

Застосування вуглецю

Значення сполук вуглецю і його аллотропних модифікацій в житті людини дуже велике. Можна назвати кілька найбільш глобальних галузей, щоб стало зрозуміло, що це дійсно так.

1. Цей елемент утворює всі види органічного палива, з якого людина отримує енергію.
2. Металургійна промисловість використовує вуглець як сильний відновник для добування металів з їх сполук. Тут же знаходять широке застосування карбонати.
3. Будівництво та хімічна промисловість споживають величезна кількість сполук вуглецю для синтезу нових речовин і отримання необхідних продуктів.

Також можна назвати такі галузі господарства, як:

• ядерна промисловість;
• ювелірна справа;
• технічне обладнання (мастила, жароміцні тиглі, олівці та інше);
• визначення геологічного віку порід - радіоактивний індикатор ¹⁴;
• вуглець - чудовий адсорбент, що дозволяє використовувати його для виготовлення фільтрів.

Кругообіг в природі

Маса вуглецю, що знаходиться в природі, включена в постійний кругообіг, який циклічно відбувається щомиті по всій земній кулі. Так, атмосферне джерело вуглецю - СО₂, поглинається рослинами і виділяється всіма живими істотами у процесі дихання. Потрапляючи в атмосферу, він знову поглинається, і так цикл не припиняється. При цьому відмирання органічних залишків призводить до вивільнення вуглецю і накопиченню його в землі, звідки потім він знову поглинається живими організмами і виводиться в атмосферу у вигляді газу.