Углерод

Углерод известен человечеству с древнейших времен. Его элементарная природа была установлена А. Лавуазье но второй половине XVIII в.

Порядковый номер углерода 6, атомная масса 12,011. Атом имеет ядро с зарядом +6, электронная конфигурация Is²2s²2p². Углерод имеет два устойчивых изотопа: (98,892%) и (1,108%). Очень важен радиоактивный изотоп (период полураспада 5570 лет), испускающий b-лучи. С помощью радиоуглеродного анализа путем определения концентрации изотопа ученые довольно точно определяют возраст углеродсодержащих пород, археологических находок, геологических событий.

Углерод в свободном состоянии в природе встречается в виде двух аллотропных модификаций: алмаза и графита. Искусственно получены карбин, аморфный углерод (древесный уголь, активированный уголь) и фуллерен.

В алмазе атомы углерода находятся в состоянии sp^з-гuбридизации, все связи эквивалентны и очень прочны. Атомы образуют непрерывный трехмерный каркас (рис. 1). Алмаз является самым твердым веществом в природе, кристаллы алмаза бесцветные, прозрачные, сильно преломляющие свет; плотность алмаза 3,5 г/см³.

Рис. 1. Кубическая структура алмаза

Алмаз при 2073 – 2123 К без доступа воздуха превращается в графит.

В графите атомы углерода находятся в состоянии sp²-гuбридизации и расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем между слоями, объединенными вандерваальсовыми силами. Поэтому кристаллы графита имеют пластинчатую структуру: этим объясняются «пишущие» свойства графита. Поэтому же графит обладает анизотропными свойствами (величина ряда физических свойств зависит от направления). Так, в отличие от алмаза, графит хорошо проводит электрический ток, но только в определенных направлениях (проявление анизотропии).

Графит представляет собой серую, с металлическим блеском, непрозрачную, жирную на ощупь массу с плотностью 2,3 г/см³. При нагревании до 2773 К и при давлении 6 × 10⁶-10 × 10⁶ кПа наблюдается частичное превращение графита в алмаз.

Карбин вначале был получен синтетически, а затем найден в природе в минерале чаоит и представляет собой линейный полимер, имеющий строение (–СºС–СºС–) или (=С=С=С=)_n

В карбине атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации. Карбин представляет собой белые кристаллы (включения в чаоите) или мелкокристаллический черный порошок с плотностью 3,23 — 3,30 г/см³. При нагревании до 1073 К карбин превращается в графит.

Аморфный уголь получают различными способами из дерева, каменного и бурого угля, нефти, природных газов и других продуктов. Многие исследователи считают, что так называемые аморфные угли фактически являются микрокристаллическими формами графита.

Последняя аллотропная модификация – фуллерены — объединяет несколько строго определенных молекулярных форм углерода; состав отдельных молекул отвечает формулам С₆₀, C₇₀, С₇₆ и др. Фуллерены можно приготовить различными способами. Впервые в 1985 г. была получена молекулярная форма состава С₆₀. Аллотроп. образовался в струе чистого гелия, со сверхзвуковой скоростью обдувающего графитовый электрод, поверхность которого, в свою очередь, облучали мощным лазером. Молекулы фуллеренов представляют собой «как бы замкнутые клетки», образованные соединенными по ребрам правильными пятиугольниками или шестиугольниками. Так, фуллерен С₆₀ (его индивидуальное название бакмчнстерфуллерен) образован 20 шестиугольниками и 12 пятиугольниками (рис. 2) и похож на футбольныймяч. Радиус такой молекулы составляет – 3,35А. Если же говорить на строгом физическом языке, то молекула С₆₀ представляет собой сфероид с икосаэдрической симметрией, в каждой вершине которого находится атом углерода, связанный с тремя другими атомами с помощью s-связей. При этом 60 p-электронов (по одному от каждого атома) образуют единую сопряженную систему.

Рис..2. Структура бакминфуллерена С₆₀

Молекула С₆₀ является родоначальником целого класса аллотропов, подобно тому, как, например, бензол – родоначальник ароматических углеводородов. Свое название фуллерены получили в честь американского архитектора Р. Б. Фуллера, который предложил строить ангары и другие подобные сооружения в форме сфер, поверхности которых образованы пяти- и шестиугольниками (см. рис. 2). Столь подробный рассказ о фуллеренах оправдан, на наш взгляд, по нескольким причинам. Во-первых, имеется совсем немного книг (для школьников) на русском языке, в которых не то что рассказывается, но хотя бы упоминается о фуллеренах. Во-вторых, – и это главное – свойства фуллеренов оказались настолько интересными и необычными, что интерес к ним не ослабевает с момента их открытия, и ученые, открывшие их, в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии. Фуллерены обладают многими необычными свойствами. В отличие от других аллотропов они растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле или четыреххлористом углероде; при этом растворы фуллерена С₆₀ обладают красно-фиолетовой окраской, фуллерена c₇₀ — оранжево-желтой. Фуллерены взаимодействуют с галогенами, образуя продукты присоединения.

Особенно интересным оказалось то, что фуллерены С₆₀, выступая в качестве лиганда, могут взаимодействовать со щелочными и некоторыми другими металлами. При этом образуются комплексные соединения состава Ме₃С₆₀, обладающие свойствами высокотемпературных сверхпроводников (рис. 3). Температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет для К₃С₆₀ – 18К, для РbСs₂С₆₀ – 33К, для RbTl₂C₆₀ – 43К.

Рис. 3. Фрагмент структуры сверхпроводимого состава К₃С₆₀

В обычных условиях углерод химически инертен, из галогенов только фтор непосредственно взаимодействует с образованием тетрафторида углерода: С + 2F₂ = CF₄

При нагревании с избытком воздуха углерод образует диоксид: C + O₂ = CO₂

пои недостатке кислорода получается монооксид: 2С + О₂ = 2СО.

При высоких температурах углерод вступает в химические реакции со многими металлами

и металлами

Соединения углерода с металлами получили название карбидов. Карбиды представляют собой твердые, тугоплавкие часто химически стойкие вещества. Например карбид титана не щупает в реакции с W и НС1 даже при 600 ⁰С

Большинство карбидов взаимодействуют с H₂О и НС1.

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

При высокой температуре углерод, взаимодействуя с оксидами щелочно-земельных металлов, алюминия, кремния и других, образует карбиды:

Раскаленный углерод восстанавливает воду (водяные пары):

Концентрированные азотная и серная кислоты окисляют углерод до диоксида:

В присутствии катализатора и при нагревании углерод взаимодействует с водородом: