Словарь научных терминов
Углерод

УГЛЕРОД (Carboneum) C, хим. элемент IV гр. периодич. системы, ат. н. 6, ат.м. 12.011. Природный У. состоит из двух стабильных изотопов - 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Сечение захвата тепловых нейтронов 3,5·10-31 м2. В атмосфере присутствует радиоактивный нуклид 14C. Он постоянно образуется в ниж. слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космич. излучения на ядра азота по р-ции: 14N (n, р)14C. Конфигурация внеш. электронной оболочки атома У. 2s22p2; степени окисления +4, - 4, редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C2N2, галоген-цианы); сродство к электрону 1,27 эВ; энергий ионизации при последоват. переходе от С° к C4+ соотв. 11,26040, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,5; атомный радиус 0,077 нм, ионный радиус C4+ (в скобках даны координац. числа) 0,029 нм (4), 0,030 нм (6).

Содержание У. в земной коре 0,48% по массе. Свободный У. находится в природе в виде алмаза и графита. Осн. масса У. встречается в виде карбонатов природных (известняки и доломиты), горючих ископаемых - антрацит (94-97% С), бурые угли (64-80% С), каменные угли (76-95% С), горючие сланцы (56-78% С), нефть (82-87% С), газы природные горючие (до 99% CH4), торф (53-62% С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере У. находится в виде углерода диоксида CO2, в воздухе 0,046% CO2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~ 60 раз больше. У. входит в состав растений и животных (~18%). Кругооборот У. в природе включает биол. цикл, выделение CO2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканич. газов, горячих минер. источников, из поверхностных слоев океанич. вод и др. Биол. цикл состоит в том, что У. в виде CO2 поглощается из тропосферы растениями, затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями У. попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растит, материалов - в почву и в виде CO2 - в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соед. с азотом и водородом У. обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений У., и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов У. между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существование огромного числа углеродсодержащих соед., изучаемых органической химией.

Свойства. Основные и хорошо изученные кристаллич. модификации У.- алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и др. формы метастабильны. При атм. давлении и т-ре выше 1200 К алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 К превращение совершается за секунды; DH° перехода -1,898 кДж/моль. При нормальном давлении У. сублимируется при 3780 К. Жидкий У. существует только при определенном внеш. давлении. Тройные точки: графит - жидкость -пар T =4130 К, р=12 МПа; графит - жидкость - алмаз T=4100, p =12,5 ГПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 К и давлении 11-12 ГПа.

При давлениях выше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации У. III (плотность на 15-20% выше плотности алмаза), имеющей металлич. проводимость. При высоких давлениях и относительно низких т-рах (ок. 1200 К) из высокоориентир. графита образуется гексагон. модификация У. с кристаллич. решеткой типа вюрцита -лонсдейлит (а = 0,252 HM, с =0,412 нм, пространств. группа Р63/ттс), плотн. 3,51 г/см3, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Кристаллич. модификация У. гексагон, сингонии с цепочечным строением молекул наз. к а р б и н. Цепи имеют либо полииновое строение http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/8/4/2/14842.jpeg , либо поликумуленовое http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/8/4/3/14843.jpeg . Известно неск. форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68-3,30 г/см3). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно - окислит, дегидрополи-конденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме.

В основе строения аморфного У. лежит разупорядоченная структура мелкокристаллич. (всегда содержит примеси) графита. Это кокс (см. Кокс каменноугольный, Кокс нефтяной, Кокс пековый), бурые и каменные угли, сажа (см. Технический углерод), активный уголь. У. известен также в виде кластерных частиц C60 и C70 (фуллерены).

При обычных т-рах У. химически инертен, при достаточно высоких соединяется со мн. элементами, проявляет сильные восстановит. св-ва. Хим. активность разных форм У. убывает в ряду: аморфный У., графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при т-рах соотв. выше 300-500 0C, 600-700 0C и 850-1000 0C. Продукты горения - углерода оксид СО и диоксид CO2. Известны также неустойчивый оксид C3O2 (т. пл. -111 0C, т. кип. 7 0C) и нек-рые др. оксиды. Графит и аморфный У. начинают реагировать с H2 при 1200 0C, с F2 - соотв. выше 900 0C и при комнатной т-ре. Графит с галогенами, щелочными металлами и др. в-вами образует соединения включения (см. Графита соединения). При пропускании электрич. разряда между угольными электродами в среде N2 образуется циан, при высоких т-рах взаимодействием У. со смесью H2 и N2 получают синильную кислоту. С серой У. дает сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. С большинством металлов, В и Si У. образует карбиды. Важна в пром-сти р-ция У. с водяным паром С + H2Ohttp://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/8/4/4/14844.jpeg СО + H2 (см. Газификация твердых топлив). При нагревании У. восстанавливает оксиды металлов до металлов, что широко используется в металлургии.

О применении У. см. вышеперечисл. статьи, а также см. Углеграфитовые материалы, Углепластики и др.

У. входит в состав атм. аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться кол-во солнечных дней. Частицы У. поглощают солнечное излучение, что может вызвать нагревание пов-сти Земли. У. поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация У. над источниками горения 100-400 мкг/м3, крупными городами 2,4-15,9 мкг/м3, сельскими р-нами 0,5-0,8 мкг/м3. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6-15)·109 Бк/сут 14CO2.

Высокое содержание У. в атм. аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верх. дыхат. путей и легких. Проф. заболевания - в осн. антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м3: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический У. и углеродная пыль 4,0; в атм. воздухе для сажи макс, разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м3.

Токсич. действие 14C, вошедшего в состав молекул белков (особенно в ДНК и РНК), определяется радиац. воздействием b-частиц и ядер отдачи азота http://www.medpulse.ru/image/encyclopedia/8/4/5/14845.jpeg и трансмутац. эффектом - изменением хим. состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация 14C в воздухе рабочей зоны ДКА 1,3 Бк/л, в атм. воздухе ДКБ 4,4 Бк/л, в воде 3,0·104 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2· 108 Бк/год.

У. в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит.

Элементарная природа У. установлена А. Лавуазье в кон. 1780-х гг.

Лит.: Химия гиперкоординированного углерода, пер. с англ., M., 199O, Kirk - Othmer encyclopedia, 3 ed., v. 4, N. Y., 1978, p. 556-709.

Я. А. Калашников.


Уайт-спирит Убихиноны Угарный газ Уги реакция Углеводороды Углеводы Углеграфитовые материалы Углекислый газ Углемасляные смеси Углепластики Углерод Углерод технический Углерод-углеродные материалы Углерода оксид Углерода сульфоксид Углеродные волокна Углеродопласты Углехимия Угольная кислота Ударная волна, Ударных труб метод Удобрения Уксусная кислота Уксусный альдегид Ульмана реакции Ультразвук Ультразвуковые аппараты Ультрамарин Ультрамикроскопия Ультрамикрохимический анализ Ультрафильтрация Ультрафиолетовая спектроскопия Ультрафосфаты Ультрацентрифугирование Умбеллиферон Умбра Ундекалактон Ундеканаль Ундеканол Уплотнительные смазки Уравнения состояния Уралкидные смолы Уран Урана сплавы Уранаты Уранорганические соединения Урацил Уреаза Уреиды Уретановые эластомеры Уретаны Уридин Уровнемеры Уроновые кислоты Урри-караша реакция Ускорители вулканизации