Углерод
Углерод
Выполнил: Серенков Андрей
Ученик 11 «Б» класса
Проверил: Комарчева Е.А.
Канск
2005
План
1. Роль углеродов в живой природе
2.Распространение
в природе.
3. Физические и химические свойства.
4. Роль углеводов в живой природе.
Углерод (лат. Carboneum), С - химический элемент IV группы периодической системы
Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12С (98,892 %) и 13С
(1,108 %).
Углерод известен с глубокой древности. Древесный
уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный
камень. Значительно позднее стали применяться графит для изготовления тиглей и
карандашей.
В 1778 К.
Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при
нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза
был установлен в результате опытов А.Лавуазье (1772) по изучения горения
алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта (1797), доказавшего, что
одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества
углекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 А.Лавуазье.
Латинское название сarboneum углерод получил от сarbo — уголь.
2.Распространение в природе.
Среднее содержание углерода в земной
коре 2,3*10-2 % по массе (1*10 –2
в ультраосновных, 1*10 –2 в основных, 2*10
–2 в средних, 3*10 –2 в кислых горных
породах). Углерода накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом
веществе 18 % углерода, в древесине 50 %, в каменном угле 80 %, в нефти 85 %,
антраците 96 %. Значит часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и
доломитах.
Число собственных
минералов углерода - 112; исключительно велико число органических соединений
углерода - углеводородов и их производных.
По сравнению со
средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших
количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти
ископаемые — основные источники энергии.
Углерод широко
распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода,
гелия и кислорода.
Известны четыре
кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит - серо-черная, непрозрачная, жирная
на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. При комнатной
температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2, или 1кгс/см2)
графит термодинамически стабилен. Алмаз
- очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую
гранецентрированную решетку: а=3,560Б. При комнатной температуре и
нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графит
наблюдается при температурах выше 1400°С в вакууме или в инертной
атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700°С графит возгоняется. Жидкий
углерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м2
(1051 кгс/см2) и температурах выше 3700°С. Для твердого углерода (кокс,
сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой
“аморфный” углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации;
в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание
некоторых разновидностей “аморфного” углерода выше 1500-1600°С без доступа воздуха
вызывает их превращение в графит. Физические свойства “аморфный” углерода очень
сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоемкость,
теплопроводность и электропроводность “аморфный” углерода всегда выше, чем
графита. Карбин получен искусственно.
Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9
- 2 г/см3). Построен из длинных цепочек атомов С,
уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит
найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства
окончательно не установлены.
Конфигурация
внешней оболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характерно образование
четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электронной
оболочки до состояния 2sp3. Поэтому углерод способен в равной
степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может
осуществляться за счет sp3-, sp2- и sp- гибридных орбиталей,
которым соответствуют координационные числа 4,3 и 2. Число валентных электронов
углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости
связи между атомами углерода.
Уникальная способность атомов
углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и
циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений
углерода, изучаемых органической химией.
В соединениях
углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Б,ковалентные радиусы 0,77Б, 0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной,
двойной и тройной связях; ионной радиус С4- 2,60Б, С4+ 0,20Б. При обычных условиях
углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими
элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.
Все формы
углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными
окислителями (хромовая смесь, смесь концентриров. HNO3 и KCIO3 и др.). “Аморфный” углерод реагирует с фтором при комнатной
температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственно соединение
углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и йодом углерод не
реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют
косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х - галоген) наиболее известная
хлорокись COCI2 (фосген).
При температурах
выше 1000°С углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды.
Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с
образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при
температурах выше 600 - 800°С с водяным паром и углекислым газом.
Все формы
углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но
растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Углерод -
важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная
единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении
организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также
многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины,
гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмам энергии
образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле
рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых
соединений.
Уникальная роль
углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не
обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода,
а также между углеродом и другими элементами образуются прочные химические
связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких
физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными).
Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими
атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов
различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего
три элемента - С, О, Н - составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим
достигается определенная экономичность в живой природе: при практически
безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число
типов химических связей позволяет на много сократить количество ферментов,
необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности
строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии
органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в
биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно гипотезе
А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное
происхождение. Источниками углерода служили (СН4)и цианистый водород
(HCN),содержавшиеся в первичной
атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического
углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы,
является углерода двуокись (СО2),находящийся в атмосфере, а
также растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный
механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2) - фотосинтез
- осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и
эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза; в
этом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергию
Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных
потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В
зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные
организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка
и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве
единственного источника углерода, углеводороды нефти, - одна из важных
современных научно - технических проблем.
Помимо стабильных
изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (в
организме человека его содержится около 0,1мккюри). С использованием
изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие
крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе.
Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3
растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции
фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих
биологически активных соединений и т. д. Применение 14С
способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза
белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С
в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что
используется в палеонтологии и археологии.