РЕФЕРАТ

на тему:

Вуглець

План

1. Поширення в природі.

2. Фізичні й хімічні властивості.

3. Народногосподарське значення.

4. Карбон в організмі.

ПОШИРЕННЯ В ПРИРОДІ

Карбон (лат. Carboneum, C) — хімічний елемент IV групи періодичної
системи Менделєєва. Відомі два стабільні ізотопи І2С (98,892 %) і ІЗС
(1,108 %).

Вуглець відомий із глибокої давнини. Деревне вугілля служило для
відновлення металів із руд, алмаз — як дорогоцінний камінь. Значно
пізніше почав застосовуватися графіт для виготовлення тиглів та олівців.

У 1778 p. K. Шеєле, нагріваючи графіт із селітрою, виявив, що при цьому,
як і при нагріванні вугілля із селітрою, виділяється вуглекислий газ.
Хімічний склад алмаза був встановлений у результаті дослідів А. Лавуазьє
(1772) із вивчення горіння алмаза на повітрі й у результаті досліджень
С. Теннанта (1797), який довів, що однакові кількості алмаза й вугілля
дають при окисненні рівні кількості вуглекислого газу. Карбон як
хімічний елемент був визнаний тільки в 1789 р. А. Лавуазьє. Латинську
назву carboneim Карбон отримав від carbo — вугілля.

Середній вміст Карбону в земній корі складає 2,3 • 10-2 % за масою.
Карбон накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): у живій
речовині 18 % Карбону, у деревині — 50 %, у кам’яному вугіллі — 80 %, у
нафті — 85 % в антрациті — 96 %. Значна частина Карбону літосфери
зосереджена у вапняках і доломітах.

Число власних мінералів Карбону — 112, винятково велике число органічних
сполук Карбону — вуглеводні й їхні похідні.

З накопиченням Карбону в земній корі пов’язані нагромадження і багатьох
інших елементів, що сорбуються органічною речовиною й осаджуються у
вигляді нерозчинних карбонатів і т. ін.

У порівнянні із середнім умістом Карбону в земній корі, людство у
винятково великих кількостях видобуває Карбон із надр (вугілля, нафта,
природний газ), тому що ці копалини — основні сучасні джерела енергії.

Карбон широко розповсюджений також у космосі; на Сонці він займає
четверте місце після Гідрогену, Гелію й Кисню.

ФІЗИЧНІ Й ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю: графіт, алмаз, карбін і
лонсдейліт.

Графіт — сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, дуже м’яка маса з
металевим блиском.

Алмаз — дуже тверда кристалічна речовина. Кристали мають кубічну
гра-нецентровану решітку (А = 3,560Е). Помітне перетворення алмаза на
графіт спостерігається при температурах понад 1 400 °С у вакуумі або в
інертній атмосфері. При атмосферному тиску й температурі близько 3 700
°С графіт випаровується.

Рідкий вуглець можна отримати при тиску вищому за 103 МПа, і
температурах вищих за 3 700 °С. Для твердого вуглецю (кокс, сажа,
деревне вугілля) характерним є також стан із неупорядкованою структурою
— «аморфний» вуглець, який не являє собою самостійної модифікації; в
основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту.
Нагрівання деяких різновидів «аморфного» вуглецю вище за 1 500—1 600 °С
без доступу повітря викликає їхнє перетворення на графіт. Фізичні
властивості «аморфного» вуглецю дуже сильно залежать від дисперсності
частинок і наявності домішок. Густина, теплоємність, теплопровідність і
електропровідність «аморфного» вуглецю завжди вища, ніж графіту.

Карбін отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок
чорного кольору (густина р (4 °С) = 1,9—2 г/см3). Побудований з довгих
ланцюжків атомів Карбону, покладених паралельно один до одного.

Лонсдейліт знайдений у метеоритах і отриманий штучно; його структура й
властивості остаточно не встановлені.

Електронна конфігурація зовнішньої оболонки атому Карбону 2s22p2

Для Карбону характерним є утворення чотирьох ковалентних зв’язків,
обумовлене збудженням зовнішньої оболонки до стану 2s’2p3:

Тому Карбон здатний однаковою мірою як притягати, так і віддавати
електрони. Хімічний зв’язок може здійснюватися за рахунок утворення
sp3-, sp2- і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні
числа 4, 3 і 2. Кількість валентних електронів Карбону й кількість
валентних орбіталей однакові — це одна з причин стійкості зв’язку між
атомами Карбону.

Унікальна здатність атомів Карбону з’єднуватися між собою з утворенням
міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного
числа різноманітних сполук Карбону, досліджуваних органічною хімією.

У сполуках Карбон виявляє ступені окиснювання – 4; +2; +4. Атомний
радіус 0,77Е, ковалентні радіуси 0,77Е, 0,67Е, 0,60Е відповідно в
одинарному, подвійному та потрійному зв’язках; іонний радіус С» 2,60 Е,
С4+ 0,20 Е. При звичайних умовах Карбон хімічно інертний, при високих
температурах він з’єднується з багатьма елементами, виявляючи сильні
відновні властивості.

Усі форми вуглецю стійкі до лугів і кислот і повільно окиснюються тільки
дуже сильними окиснювачами, наприклад, хромовою сумішшю (суміш
концентрованих HN03 і КС103) або киснем:

«Аморфний» вуглець реагує із фтором при кімнатній температурі, графіт і
алмаз — при нагріванні. Безпосереднє з’єднання вуглецю з хлором
відбувається в електричній дузі; із бромом і йодом вуглець не реагує,
тому численні галогеніди Карбону синтезують непрямим шляхом. З
оксигалогенідів загальної формули СОХ2 (де X — галоген) найбільш відомий
хлорокис СОС12 (фосген).

При температурах вищих за 1 000 °С вуглець взаємодіє з металами,
утворюючи карбіди.

Усі форми вуглецю при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням
вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb та ін.) або карбідів (Са2, Мо2С, WC, Та
та ін.):

Вуглець реагує при температурах вищих за 600—800 °С з водяною парою і
вуглекислим газом:

Усі форми вуглецю нерозчинні у звичайних неорганічних і органічних
розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад,
Fe, Ni, Co).

НАРОДНОГОСПОДАРСЬКЕ ЗНАЧЕННЯ

Народногосподарське значення вуглецю визначається тим, що понад 90 %
усіх первинних джерел споживаної у світі енергії припадає на органічне
паливо, незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики Тільки 10
% видобутого палива використовується як сировина для основного
органічного синтезу й нафтохімічного синтезу, для отримання пластичних
мас та ін.

КАРБОН В ОРГАНІЗМІ

Карбон — найважливіший біогенний елемент, що складає основу життя на
Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть
участь у побудові організмів і в забезпеченні їхньої життєдіяльності
(біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні
речовини — вітаміни, гормони, медіатори та ) Значна частина необхідної
організмам енергії утворюється в клітинах за рахунок окиснювання
вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як
складний процес еволюції карбонових сполук.

Унікальна роль Карбону в живій природі обумовлена його властивостями,
яких у сукупності не має жоден інший елемент періодичної системи Між
атомами Карбону, а також між Карбоном й іншими елементами утворюються
міцні хімічні зв’язки, які, однак, можуть бути розірвані в фізіологічних
умовах (ці зв’язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними)

Здатність Карбону утворювати 4 рівнозначні валентні зв’язки з іншими ато
мами створює можливість для побудови карбонових кістяків різних типів
лінійних, розгалужених, циклічних.

Показово, що тільки всього три елементи (С, О, Н) складають 98 %
загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність у
живій природі при практично безмежній структурній розмаїтості карбонових
сполук невелика кількість типів хімічних зв’язків дозволяє набагато
скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення й синтезу
органічних речовин

Особливості будови атома Карбону лежать в основі різних видів ізомерії
органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною
в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).

Згідно з теорією О. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали
абюгенне походження. Джерелами вуглецю служили метан (СН4) і шаністий
водень (НСН), що містилися в первинній атмосфері Землі 3 виникненням
життя єдиним джерелом неорганічного вуглецю, за рахунок якого
утворюється вся органічна речовина біосфери, є карбон (IV) оксид (С02),
що знаходиться в атмосфері, а також у природних водах у розчиненому
вигляді. Найпотужніший механізм засвоєння (асиміляція) вуглецю (у формі
С02) — фотосинтез — здійснюється повсюдно зеленими рослинами. На Землі
існує й еволюційно більш давній спосіб засвоєння С02 шляхом хемосинтезу;
у цьому випадку мікроорганізми хемосинтетики використовують не
променисту енергію Сонця, а енергію окиснювання неорганічних сполук.

Більшість тварин споживають вуглець із їжею у вигляді вже готових
органічних сполук. У залежності від способу засвоєння органічних сполук
прийнято розрізняти автотрофні й гетеротрофні організми

Застосування для біосинтезу білка й інших поживних речовин
мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело вуглецю вуглеводні
нафти, — одна з важливих сучасних науково-технічних проблем.

Крім стабільних ізотопів Карбону, у природі розповсюджений радіоактивний
І4С (в організмі людини його міститься 0,1 мкг). З використанням
ізотопів Карбону в біологічних і медичних дослідженнях пов’язано чимало
великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу вуглецю в
природі. Так, за допомогою радіокарбонової мітки була доведена
можливість фіксації вуглецю рослинами й тканинами тварин, встановлена
послідовність реакції фотосинтезу, вивчено обмін амінокислот, простежені
шляхи біосинтезу багатьох біологічно активних сполук і т. ін.
Застосування ИС сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні
механізмів біосинтезу білка й передачі спадкової інформації. Визначення
питомої активності НС у вуглецевмісних органічних залишках дозволяє
судити про їхній бік, що використовується в палеонтології й археології.

Похожие записи