Первый урок
Предыдущий урок.
Однажды продавцы каких-то наебадов пытались вовлечь меня в свою коммерческую секту. Не помню точно название компании, но вот их лозунг я хорошо запомнил: «Кремний – основа жизни». В общем, они продавали добавки с кремнием. Почему я сразу понял, что это мошенники? Да потому, что их лозунг – ложь. Не кремний, а углерод основа жизни. Характерная особенность этого химического элемента под номером 6 – образовывать сложные молекулы, которые и являются кирпичиками всего живого на Земле (и, вероятно, на других планетах).
Что же представляет собой углерод? Как и бор, это аллотропный химический элемент, встречающийся в разных формах: графит, алмаз, карбин, уголь (древесный уголь, каменный уголь), сажа, а так же в виде различных искусственно созданных материалов на основе нанотехнологии, таких как углеродное волокно, нонотрубки и прочее.
Разновидностей углерода, на самом деле, очень много, если их все описать, будет много букв. Остановлюсь лишь на двух: алмаз и графит. Разница между ними в форме кристаллической решетки. У алмаза она объемна, имеет кубическую форму:
Это и придает алмазу его твердость. У графита кристаллическая решетка плоская:
Как видно из рисунка, имеется множество слоев кристаллической решетки, которые слабо связанные между собой, и, соответственно, легко отслаиваются. Именно поэтому, если провести графитовым стержнем по бумаге, на ней остается след.
Собственно, в этом и вся разница между алмазом и графитом. Но графит дешевый материл, из которого изготавливают стрежни для карандашей, а алмаз дорогой драгоценный камень. Почему? Потому, что алмаз образуется в недрах земли при высокой температуре и давлении, и на поверхность планеты попадает его не так уж и много. Поэтому и так ценится этот драгоценный камень.
Хотя углерод и является основой всех органических соединений, но сегодня мы рассмотрим его с точки зрения неорганической химии. До органики мы еще доберемся.
Итак, химические свойства углерода. Для начала, углерод горит. Хорошо горит, каменным углем, а так же его разновидностями, такими, например, как торф, можно топить печь. При этом возможно полное сгорание угля, когда выдается углекислый газ (CO2), и неполное, когда выделятся угарный газ (CO). Последний является сильнейшим ядом. Если таким газом надышаться, то он отнимает у человека кислород, и человек задыхается. Конкретно это проявляется в том, что у человека начинаются головные боли, тошнота, судороги, потеря сознания. Может наступить даже смерть.
Горение углерода можно описать вот таким вот химическим уравнение:
По первому типу (с образованием угарного газа) реакция горения протекает, если имеет место быть недостаток свежего воздуха. Кстати, такая же штука и с горением природного газа, поэтому газовики запрещают эксплуатацию газового оборудования, если нет достаточного притока свежего воздуха: можно задохнуться.
Кроме того, при высокой температуре углерод реагирует с водородом, образуя метан:
Метан – это такой газ, который горит у вас в газовой плите. Его, конечно, получают не путем соединения углерода с водородом, а добывают из недр земли, где он встречается в виде смести различных природных газов. Существует, кстати, обратный процесс, можно разложить природный газ, нагрев его до высокой температуры без доступа кислорода. При этом может образоваться углерод, водород, а так же другие углеводороды. В частности, если мы нагревает метан, то он разлагается на атомы водорода и свободные радикалы CH3, которые атакуют другие молекулы. При этом образуется ацетилен, водород, сажа (углерод).
В химии под свободными радикалами подразумеваются молекулы или атомы, у которых есть неудовлетворенные валентные связи. В частности, CH3: углерод четырехвалентен, а водород – одновалентен. Очевидно, что одна валентность не удовлетворена.
При высокой температуре углерод реагирует с серой с образованием сероуглерода:
Такая реакция, в частности, идет при взаимодействии паров серы и древесного угля при температуре 750-1000 градусов Цельсия.
При температуре 900 градусов Цельсия углерод так же реагирует с фтором, с образование фреона, он же тетрафторметан – это вещество, используемое в холодильниках для генерации холода.
Вот уравнение этой реакции:
Так же при высокой температуре углерод реагирует с кремнием, образуя карбит кремния:
А вот с азотом углерод реагирует, если пропустить электрический разряд между угольными электродами (в атмосфере азота, разумеется).
Образуемое при этом вещество называется циан, который представляет собой довольно ядовитый бесцветный газ.
Вот так схематично выглядит его молекула:
А вот с фосфором углерод не реагирует, но реагирует с водой, точнее, с водяным паром при высокой температуре, при этом получается так называемый синтез газ (смесь водорода и угарного газа):
Этот газ используется в тепловой и химической промышленности, в частности, для синтеза метанола. Метанол – это метиловый спирт (паленая водка), сильнейший яд. В отличие от просто этанола, который вызывает алкогольное опьянение, метанол разрушает сосуды, в том числе в сетчатке глаза (вызывая слепоту) и в мозге, а так же необратимо разрушает клетки печени. Спрашивается, зачем тогда его синтезируют? Потому что он применяется в производстве формальдегида, а так же синтетических смол, которые используются для производства пластмассы, резины и других материалов. Метанол так же добавляют в бензин, повышая его октановое число. Но этим применение метанола не исчерпывается. Хотя… мы уже полезли в область органической химии, давайте-ка вернемся в неорганику и продолжим.
Еще одна интересная реакция – это горение черного пороха (смести угля, серы и селитры):
Здесь селитра служит источником кислорода: она разлагается при высокой температуре, и выделяемый при этом кислород поддерживает горение угля и серы. Именно по этой причине порох хорошо горит и даже взрывается.
Но самое главное, пожалуй это то, что углерод является восстановителем. В частности, он восстанавливает оксиды металлов. Например, железо. В железной руде, как правило, железо содержится в виде оксида Fe2O3, и, чтобы выделить из него металлическое железо, руду при высокой температуре смешивают с углеродом в виде кокса.
Вот уравнение восстановление металла на примере кальция:
Или железа:
Углерод при высокой температуре так же способен соединяться с металлами:
Про химические свойства достаточно. Теперь получение. В домашних условиях, чтобы получить углерод, вы можете просто сжечь деревяшку. Угольки, в которые она превратится, это и есть углерод. Другое дело, насколько он чистый.
В промышленности углерод получают путем очистки каменного угля, который широко распространен в природе в виде каменного угля. Его, например, превращают в кокс, и этот кокс используют в металлургической промышленности как восстановитель (см. выше описание этих реакций).
Как производят кокс? Берут каменный уголь и производят с ним вот такую последовательность действий:
1. Сушка при температуре от 100 до 120 градусов Цельсия.
2. Нагрев до 300–350 градусов Цельсия.
3. Плавление при температуре 350–500 градусов Цельсия.
4. Затвердевания расплава с образованием полукокса при температуре 500–600 градусов Цельсия.
5. Прокаливание кокса при температуре до 600–1100 градусов Цельсия. Эта стадия длится несколько часов, в течение которых из него улетучиваются все летучие примести, и происходит перекристаллизация, в результате которой твердость возрастает в 30–40 раз.
Подытожим. Углерод – основа жизни, так как все органические соединения основаны на углероде (хотя в них могут присутствовать и другие элементы). Углерод соединяется со многими элементами при высокой температуре (с фосфором не реагирует). Так же углерод является восстановителем, и его используют в металлургии. В природе углерод находится в виде каменного угля.