История открытия углерода и его роль в природе

Углерод – неметаллический элемент, который присутствует в природе повсеместно. Его способность образовывать полимерные цепочки связей создает органические, неорганические соединения. Распространен по всей вселенной.

История открытия

Углерод применялся в быту с давних времен, когда его название еще не было введено. Тогда им пользовались в форме угля, алмазов. Научное открытие самого элемента произошло в 1791 году, когда при созданной химической реакции обнаружили чистый углерод.

Углерод привлек внимание ученых, когда проводились исследования со сжиганием алмазов. Это единственные драгоценные камни, которые горят без остатка. В результате чего был сделан вывод, что алмаз – это кристаллическая форма элемента.

Всего у него 3 формы:

1. Кристаллическая – алмазы, графиты, волокна, карбины. Отличаются правильной кристаллической решеткой, твердостью, тугоплавлением.
2. Кластерная – диуглерод, астралены, наноконусы. Это сложные соединения с прочной атомной связью.
3. Аморфная. Включает сажу, уголь, техуглерод, стеклоуглерод. Обладают высокой теплоемкостью, имеют неупорядоченную структуру, неплотные, не термостойкие.

Диоксид углерода. Название вещества происходит от древнего слова carbo, что означает уголь. Российский термин был закреплен в 1824 году.

Углерод в таблице Менделеева

Периодическая таблица Менделеева основывается на атомном весе элементов. Углерод занимает в ней 6 место, имея атомную массу равную 12,01. Обозначается латинской буквой С (Carboneum). Он располагается во 2 периоде, 4 группе главной подгруппе. Является неметаллом. Имеет валентность 4, что характеризует способность атома создавать химические связи.

Строение атома углерода

Молекулярная формула элемента состоит из 6 электронов – 1S22S22P2, где крайние 2 неспаренные, находятся на разных Р-орбиталях.

У него есть 3 геометрические формы строения:

1. Тетраэдр. В нем атом находится в центре. Таки формы приобретает соединения углеводорода.
2. Диагональ. Образуется в соединении карбинов.
3. Тригональная отличается перпендикулярным расположением соединений, встречается в графите, феноле.

Атомы способны создавать прочные химические цепочки:

1. Органические. Соединения связаны с растительным, животным миром, бывают низкомолекулярные (эфиры, аминокислоты, жирные кислоты), высокомолекулярные (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и др.).
2. Неорганические – это извлекаемый из минералов, руд (диоксид, оксид, цианид, карбонат).

Интересный факт! Для образования атома углерода необходимо столкновение 3 ядер атома гелия. Такие процессы могут происходить в звездах-гигантах с большой температурой.

Физические свойства

Они проявляются в модификациях неметалла. Самые известные:

1. Алмаз. Твердое, кристаллическое вещество, но хрупкое. Разрушается при сильном ударе.
2. Графит – черная, чешуйчатая масса, немного маслянистая. Мягкая, хрупкая, хорошо проводит ток.
3. Карбин. Искусственный порошок черного цвета.
4. Аморфный углерод. Небольшие кристаллы, которые не упорядоченно расположены. Сюда относится сажа – остатки горения угля, рассыпчатые, сухие, древесный уголь – пористый, сухой вариант, используемый в качестве топлива.
5. Фуллерен имеет многогранную атомную структуру. Соединения с ним используются для создания износостойких материалов.

Новые структуры открываются и изучаются каждый год, им ищут применение в жизни согласно их свойствам. К недавно открытым относятся нанотрубки, наноалмазы, лонсдейлит. Все эти структуры имеют высокую прочность.

Химические свойства

Углерод начинает химическую активность только при повышенных температурах. При реакции:

• с водородом образуются углеводороды;
• со фтором – фторуглеродные соединения;
• угольных электродов и азота возникает циан, а при добавлении водорода – синильная кислота;
• с металлами, образуются карбиды (кальция, магния, натрия).

При нагревании уголь может восстанавливать серу. При горении образуется углекислый газ, а при недостатке кислорода – угарный.

В каждом химическом процессе содержится этот элемент, чтобы вычислить массовую долю углерода его массу делят на вес всего вещества.

Степени окисления у этого элемента -4, +4, +2.

Углерод в природе

Углерод – четвертый по распространенности элемент во Вселенной. Присутствует везде, например, в земной коре содержание составляет около 0,15%. Из него состоят:

• уголь;
• нефть;
• торф;
• природный газ;
• известняки;
• алмазы.

Он входит в состав мела, мрамора, доломита. Также в разных пропорциях содержится в живых существах – животных, людях.

В растворенном виде находится в реках, озерах, морях, океанах. Присутствует в составе метеоритов, упавших на Землю звезд, которые не успели сгореть.

Углерод участвует в круговороте природы:

• углекислый газ, в последствии процессов горения, поступает в атмосферу;
• его поглощают растения. Также углерод попадает в живые организмы, а после их смерти в процессе разложения попадает в почву.

В форме пара обнаружен в атмосферах Солнца, других планет.

Высокое содержание элемента в воздухе в виде выхлопных газов, дымов от ТЭЦ и других промышленных объектов оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды. Это сказывается на здоровье людей – появляются заболевания верхних дыхательных путей, легких, участились аллергические реакции.

Применение

Углерод используется повсеместно:

1. Графит – в карандашах, при изготовлении электродов. При нагревании – в качестве смазок, красителей. В составе мазей, предназначенных для лечения болезней кожи.
2. Техуглерод – при изготовлении пластмасс, резин.
3. Алмаз – как абразивный материал для шлифования, сверления. Также в качестве дополнения к ювелирным украшениям. Алмазные лезвия скальпелей – в хирургии.
4. Уголь – как источник энергии, тепла.
5. Активированный уголь – в фармакологии, медицине для выведения токсинов.

Углерод входит в составы сплавов (стали, чугуна). Фильтры на основе угля применяются в промышленности, автомобилях, респираторах, системах очистки воды. Используется в молекулярной биологии.

В промышленности углерод имеет широкое применение. Многие химические аппараты сделаны из графита, так как имеет высокую термостойкость. Графит также применяется в ракетостроении, так как вещество сложного воспламенить, не плавится. Электроды из него широко применяются в электрохимической промышленности.

В стекольной промышленности активно используется карбонат, гидрокарбонат натрия, в составе которых углерод. В строительстве для производства цемента, извести применяют карбонат кальция (известняк).

В металлургии из древесного угля делают поверхностный слой – защищает расплавленные металлы от окисления. Алюминий делают из графитового катода.

В оптико-механической из углерода делают:

• нанопровода;
• дисплеи;
• светодиоды.

В газовой промышленности также применяются нанотрубки, которые составляют датчики, определяющие вхождение молекул газа.

Активно используют технический углерод при создании резин. Он:

• улучшает свойства сцепления с трассой;
• увеличивает длительность эксплуатации шин.

Травматические салфетки из графитовой ткани быстро останавливают кровь, обеззараживают раны. Из углепластика начали создавать протезы костей, суставов. Графит применяют для дренирования глаукомы, чтобы нормализовать давление внутри глазного яблока.

Углеродное волокно используется в судостроении, автомобилестроении. Оно прочное, устойчиво к химическим реакциям, легкое по весу. В текстильной промышленности при создании тканей, материалов применяются углеродные соединения.

В будущем планируется развивать применение углерода во всех сферах промышленности:

• робототехники;
• медицине;
• авиастроительстве и др.

Углерод встречается во всех сферах жизни человека. Присутствует в земле, атмосфере, растениях, животных, людях. С его помощью добывают энергию, тепло, лечат людей, фильтруют воздух и воду, используют в разных сферах промышленности. Его изучение продолжается, открываются новые свойства, строения молекул, которые имеют особые характеристики.

А что вы знаете об этом неметалле? Поделитесь в комментариях. Добавляйте страницу в закладки и делитесь ей в социальных сетях.

Также предлагаем посмотреть интересный видео рассказ о химическом элементе углерод.

Источники: 

• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4
• https://composite-materials.ru/uglerodnoe-volokno-harakteristiki-i-osobennosti-hraneniya.html 
• https://ru.qaz.wiki/wiki/Carbon 
• https://infourok.ru/user/falyuta-aleksandr-andreevich/blog/istoriya-otkritiya-ugleroda-57996.html 
• https://xn—-9sbecybtxb6o.xn--p1ai/obshchaya-biologiya/organicheskie-soedineniya-uglerod
• https://vuzlit.ru/1094858/uglerod_osnova_zhizni_zemle 
• https://foxford.ru/wiki/himiya/uglerod 
• https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=C 
• https://pcgroup.ru/blog/perspektivnye-neorganicheskie-materialy-na-osnove-ugleroda
• http://himsnab-spb.ru/article/ps/c/ 
• http://www.kontren.narod.ru/x_el/info06.htm 
• https://megabook.ru/article/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4