Углерод наиболее распространенный элемент химической таблицы, строительный материал всех существ Земли и, вероятно, во всей Вселенной. В природе его обнаруживают на земле, океане и даже воздухе: процесс называется “углеродным циклом”:
- геологический самый длительный цикл - протяженностью во времени в миллионы лет;
- биологический происходит как тысячи лет, так и всего лишь один день.
Углерод уникален среди всех элементов благодаря его способности создавать прочные цепи, соединенные атомами водорода. Эти углеводороды, добываемые естественным образом как ископаемое, зачастую используются как топливо. Небольшая, но важная часть используется как сырье нефтехимической промышленности, производящей полимеры, волокна, краски, пластмассы.
Он находит широкое применение в качестве:
- древесного угля (из древесины), кокса (из угля), используется при плавке металлов;
- графита, что относится к производству карандашей, электродвигателей, и подкладок печей. Активированный уголь очищает воду и воздух, содержится в респираторах и кухонных вытяжках;
- углеродного волокна, используемого как легкого и прочного материала теннисных ракеток, лыж, ракетах и самолетах;
- промышленных алмазов для резки и бурения, и алмазных пленок - для защиты поверхностей.
Ключевые моменты
Углерод является фундаментом жизни, основным "кирпичиком" макромолекул: его атом способен образовывать ковалентные связи четырьмя атомами, делая его универсальным в использовании, как основного строительного компонента, и сложные соединения зачастую состоят из него, в связке с другими элементами, важнейшими в процессе зарождения, функционирования жизни. Не наблюдалось еще никакого организма, не базировавшегося бы в своей основе на углероде, предполагается, организмы на других планетах также основаны преимущественно на нем.
Даже кремний, элемент, находящийся прямо под углеродом, образует бесчисленное множество молекул, но молекула кремния с двойной связью, в отличие от углерода, переходная - ее нестабильность в конечном итоге заставляет ее разделиться на атомы кремния с одной связью. Молекулы углерода (углеводороды) - одни из наиболее важных для поддержания жизни: не слишком хрупкие, чтобы легко разрушаться, не слишком жесткие, чтобы сдерживать пластичность, адаптивность. Это позволяет ферментам легко манипулировать молекулами углерода. Кроме того, реакции с кремнием не так эффективны; диоксид кремния - огромная молекула (песок) по сравнению с углекислым, удобно существует в виде газа.
Жизнь на основе кремния все равно не выживет на Земле. Кремний более реактивен, чем углерод, образовывает длинные «цепи» молекул, напоминающие углеводороды, но он также будет сильно реагировать с кислородом при относительно низких температурах: кремниевые цепи или «силаны» не могли бы выжить в атмосфере. Жизнь на основе углерода также не выжила бы, если бы организмы хранили энергию в углеводородах - алканы довольно легковоспламеняющиеся (петрон и керосин), но организмы на основе углерода хранят энергию в виде сахаров, липидов, спиртов, других углеводородов, обладающих разными химическими свойствами.
Химические свойства. Металл или неметалл?
Символ углерода — «C», а его атомный номер — 6, он является неметаллическим четырехвалентным элементом. Электронная конфигурация в K- и L-оболочках равна 2,4. У него четыре валентных электрона, поэтому он вступает в ковалентную связь с другими элементами путем обмена электронами. Имея валентность четыре, углерод один из универсальных элементов: он обладает свойством, известным как катенация - прямой связи между атомами того же элемента с образованием длинных цепочек, разветвлений или образования тесных структур. Он образовывает почти бесконечное количество соединений, имеющие химически органическую природу. К примеру, вот два самых известных аллотропа:
- алмаз - твердейший из известных веществ;
- графит, проводящий электричество.
Графит мягкий, легкий и хороший проводник тепла и электричества. Он имеет плотность 2,26 г/см3. Алмаз, с другой стороны, твердый, сильный и плохой проводник электричества (но хороший проводник тепла). Его плотность составляет 3,51 г/см3.
Они отличаются не только физически, но и химически. Графит может реагировать с сильными окислителями, такими как фтор, а графитовая пыль и воздух взрывоопасны при воспламенении. Алмаз не реагирует при комнатной температуре, но загореться около 690 °C, если поместить его в среду чистого кислорода.
Взаимодействие с металлами
Когда углерод в различных своих проявлениях вступает во взаимодействие с веществами, объединенных в группу металлов, происходит химическая реакция, называемая “карбонизацией”: при этом, у оксида металла перенимаются доступные молекулы кислорода, и в конечном итоге остается углекислый газ и металл. Такие процессы можно вычислить при помощи формулы взаимодействия.
Согласно профессору Гуляеву, черные металлы условно подразделяются на 5 подгрупп: железные, тугоплавкие, редкоземельные, щелочные и урановые. Сам распространенные из них в применении: железные и щелочные, урановые используются только в атомной энергетике. Оставшиеся две же используются крайне редко из-за дороговизны.
Углерод во взаимодействии с щелочными металлами
Щелочные металлы - это особая группа элементов, которая практически никогда не применяется в чистом виде, но находит широкое применение в различных отраслях. Соединения щелочных металлов с углеродом имеют значительное значение в промышленности, в основном для получения карбидов, графита и синтетического железа:
- Карбиды являются важными компонентами для производства различных сплавов, керамических изделий и режущих инструментов благодаря своей высокой твердости и износостойкости.
- Реакция этих металлов с углеродом используется при производстве графита, который применяется в электродных системах, литий-ионных аккумуляторах, теплообменных устройствах и других промышленных областях за счёт своей теплопроводности, химической инертности и устойчивости к высоким температурам.
- Также важным направлением является получение синтетического железа путем обработки углеродных материалов щелочными металлами. Синтетическое железо является ключевым металлом для металлургии, строительства и машиностроения, и его производство позволяет сократить затраты на добычу природного железа.
Таким образом, реакция щелочных металлов с углеродом играет важную роль в промышленности, обеспечивая производство необходимых материалов с выдающимися свойствами, что делает их неотъемлемой частью многих отраслей промышленности и существенно влияет на развитие технологий и производства различных изделий.
Углерод во взаимодействии с железными металлами
Группа железных металлов, в которую входят железо, никель, марганец и кобальт, используется для создания различных сплавов. Самым популярнейшим из них является сплав железа с углеродом - сталь. Благодаря своей прочности, долговечности, она применяется повсеместно: от бытовых изделий до строительства зданий. Процентное содержание в металле оказывает существенной воздействие на свойства, непосредственно влияющие на ее прочность и несущую способность. Сплавление металла с углеродом позволяет создавать детали, механизмы, работающие при агрессивных условиях, где необходима повышенная прочность, устойчивость к большим температурам, износостойкость.
Обладая свойствами для проведения окисления, восстановления, углерод взаимодействует с металлами и неметаллами прямо противоположно: с первыми он исполняет функции восстановителя, со вторыми - происходит процесс окисления, образовывающее карбиды, при этом степень равняется числу электронов, добавляемые или отнятые у ионов.
Завершение
Причина жизни заключена в углероде (основная часть которого хранится преимущественно в виде углекислого газа) и его уникальных свойств атома, образовывающего сильные связи, позволяющее создавать сложные молекулы, такие как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (Рибонуклеиновая кислота), белки. Атомы относительно малы, что делает их идеальными формированиями миллионов сложных химических связей, реакций, участвующих в поддержания жизни. Также играет роль тот факт, что Земля невероятно богата этим веществом в самых различных его проявлениях, и это делает его идеальным элементом построения жизни.