Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение углерод среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 70 pm — это 0,07 нм, поэтому около 7,14 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
При обычном давлении углерод вообще не имеет жидкого агрегатного состояния. Он сублимирует при 3915 K, переходя непосредственно из твёрдого состояния в пар. Температура плавления 4600 K реальна, но достигается только при давлении выше примерно 10.8 МПа.
История
Углерод — настоящий мастер перевоплощений в периодической таблице и основа всей жизни на Земле. Этот удивительный элемент может превращаться в сверкающие алмазы (самый твёрдый природный материал), скользкий графит (используется в карандашах) и даже экзотические фуллерены, которые на молекулярном уровне похожи на футбольные мячи. Всё живое — от мельчайших бактерий до могучей секвойи — построено на углеродном каркасе. ДНК, белки, жиры и углеводы зависят от уникальной способности углерода образовывать четыре прочные связи, создавая бесконечное множество молекулярных возможностей. Углерод также находится в центре обсуждений изменения климата, поскольку углекислый газ в атмосфере действует подобно одеялу, удерживая тепло и нагревая нашу планету. От доисторических костров до современных гоночных автомобилей из углеродного волокна — этот элемент сформировал человеческую цивилизацию.
Углерод не имеет единственного первооткрывателя, поскольку люди использовали различные формы углерода ещё с доисторических времён. Однако понимание углерода как отдельного химического элемента потребовало тысячелетий научного развития и стало одним из важнейших достижений химии.
Древние люди открыли силу углерода благодаря огню и древесному углю. Археологические находки, например в пещере Кесем в Израиле, свидетельствуют об использовании управляемого огня 400 000 лет назад. Наши предки научились получать древесный уголь — почти чистый углерод, который горел горячее и дольше древесины, — сжигая дерево при ограниченном доступе кислорода.
Эти знания произвели революцию в человеческой цивилизации:
Производство стали (1500 год до н. э.): хеттские металлурги обнаружили, что добавление углерода к железу превращает его в сталь — революционный сплав, навсегда изменивший военное дело и сельское хозяйство. Около 500 года до н. э. китайские изобретатели усовершенствовали производство чугуна, используя содержание углерода для управления свойствами металла.
Знания о алмазах (400 год до н. э.): древние индийцы обнаружили алмазы в речной гальке и признали их необычайную твёрдость. В санскритских текстах алмазы называли «ваджра» (удар молнии), полагая, что они образовались от ударов молнии.
Антуан Лавуазье (1772): «отец современной химии» доказал, что алмаз и древесный уголь являются разными формами одного и того же элемента. Его опыты по горению показали, что при сгорании оба вещества образуют одинаковое количество углекислого газа, что коренным образом изменило понимание химических элементов.
Лавуазье писал: «Мы должны заключить, что алмаз — не что иное, как кристаллизованный углерод». Это открытие объединило внешне разные материалы в рамках одного элемента и заложило понятие аллотропов.
Карл Вильгельм Шееле (1779): независимо обнаружил, что графит («чёрный свинец») также является чистым углеродом, а не свинцом, как считалось ранее. Его работа помогла утвердить углерод в качестве элемента номер 6.
Фридрих Кекуле (1858): предположил, что атомы углерода могут образовывать цепи и кольца, заложив основу органической химии. Его знаменитая структура бензольного кольца, предположительно вдохновлённая сном о змее, кусающей свой хвост, объяснила строение ароматических соединений.
Якобус ван ’т-Гофф и Жозеф Ле Бель (1874): независимо выдвинули представление о тетраэдрическом углероде, объяснив, почему соединения углерода могут существовать в зеркально-симметричных формах. Это открытие положило начало стереохимии и объяснило действие лекарств.
Перси Бриджмен (1955): впервые синтезировал искусственный алмаз при экстремально высоком давлении, доказав, что алмазы можно производить искусственно.
Ричард Смолли, Роберт Кёрл и Гарольд Крото (1985): открыли фуллерены (C₆₀), за что получили Нобелевскую премию 1996 года, положив начало нанотехнологиям.
Андрей Гейм и Константин Новосёлов (2004): выделили графен с помощью клейкой ленты, за что получили Нобелевскую премию 2010 года, открыв эру двумерных материалов.
Исследования углерода продолжаются: были открыты такие формы, как карбин (одномерные цепи углерода), а также предсказано существование ещё более экзотических форм. Каждое новое открытие раскрывает новые возможности этого самого универсального элемента.
Применение
Углерод — основа самого существования — элемент, делающий жизнь возможной и обеспечивающий технологическую революцию. От ДНК в наших клетках до самых прочных материалов, известных науке, уникальная способность углерода образовывать сложные структуры делает его незаменимым практически во всех сферах современной цивилизации.
Алмаз: Эталон твёрдости и теплопроводности. Промышленное применение включает:
Графен: Удивительный материал — одиночный слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решётке:
Углеродные нанотрубки: Цилиндрические углеродные структуры, более прочные, чем сталь, но более лёгкие, чем алюминий:
Углерод превращает железо в сталь — важнейший конструкционный материал человечества:
Композиты из углеродного волокна сочетают невероятную прочность с минимальным весом:
Улавливание и хранение углерода: Борьба с изменением климата с помощью технологических инноваций:
Активированный уголь: Универсальный материал для очистки:
Откуда он происходит
2000 мг/кг земной коры · более распространён, чем 92% элементов
Углерод занимает четвёртое место по распространённости среди элементов во Вселенной по массе; он образуется в ядерных печах массивных звёзд в результате легендарного тройного альфа-процесса. Эта космическая распространённость делает углерод основой сложной химии во всём космосе.
Углерод образуется внутри гигантских звёзд, когда три ядра гелия-4 (альфа-частицы) сливаются в процессе, открытом Fred Hoyle. Для этой реакции необходима температура выше 100 миллионов K, и она была настолько маловероятной, что Hoyle предсказал существование определённого энергетического уровня углерода-12, делающего её возможной, — это предсказание позднее подтвердилось; теперь этот уровень называют «состоянием Hoyle».
Когда массивные звёзды взрываются как сверхновые, они рассеивают углерод по всей галактике, распространяя в космосе исходные материалы для жизни. Каждый атом углерода в вашем теле образовался в ядре звезды и был распространён после её гибели — поистине превращая нас в «звёздное вещество».
На Земле содержится приблизительно 1.85 × 10¹⁸ тонн углерода, распределённого между несколькими резервуарами:
Алмазы образуются на глубине 150–200 километров под поверхностью Земли, в мантии, где давление превышает 45 000 атмосфер, а температура достигает 1 200°C. Вулканические извержения, называемые кимберлитовыми трубками, выносят алмазы на поверхность во время мощных взрывов, распространяющихся быстрее скорости звука.
К известным месторождениям алмазов относятся:
Углеродный цикл непрерывно обменивает углерод между атмосферой, океанами и биосферой:
Живые организмы содержат около 550 миллиардов тонн углерода:
Углерод существует в нескольких формах с резко различающимися свойствами:
Обращение
Чистый углерод в распространённых формах нетоксичен и биологически инертен, однако разные аллотропы и соединения углерода требуют особых мер безопасности. Основные опасности связаны с вдыханием частиц и специализированными углеродными материалами.
Технический углерод и мелкие частицы: вдыхание частиц углерода может вызвать раздражение дыхательных путей. Длительное воздействие технического углерода может повышать риск рака лёгких согласно классификации IARC (группа 2B — возможно канцерогенно).
Пределы воздействия OSHA:
Углеродные нанотрубки: исследования указывают на потенциальные риски для здоровья, сходные с рисками асбеста, из-за волокнистой структуры. Обращайтесь с ними с особой осторожностью:
Графен: доступно мало данных о токсичности. Предварительные исследования указывают на низкую острую токсичность, но допускают проникновение в клетки. Используйте стандартные процедуры безопасности для наноматериалов.
Активированный уголь: в целом безопасен, но может адсорбировать токсичные вещества из воздуха. Утилизируйте использованный уголь как опасные отходы, если он загрязнён.
Алмазные инструменты: не обладают inherentной токсичностью, но обработка может создавать вдыхаемые частицы. Используйте подходящие системы сбора пыли.
Углеродное волокно: раздражает кожу и органы дыхания из-за тонких нитей. Может проводить электричество — избегайте контакта с электрическими системами.
Опасность взрыва пыли: мелкие порошки углерода могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Для некоторых углеродных пылей минимальная энергия воспламенения очень мала.
Меры предотвращения:
Уголь и товары для барбекю: безопасны при использовании по назначению, однако:
Графит в карандашах: нетоксичен при попадании внутрь в небольших количествах (несмотря на название «свинцовый карандаш»)
Углеродные добавки: активированный уголь может взаимодействовать с лекарствами — проконсультируйтесь с медицинскими специалистами
Краткие ответы
Углерод (символ C) — элемент 6 в периодической таблице, представитель семейства неметалл в 2 периоде, 14 группе. Основа всего известного живого и самый универсальный элемент для образования связей в периодической таблице. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[He] 2s² 2p²; она включает 2 занятые электронные оболочки с распределением 2, 4. На внешней оболочке находится 4 электрона, что определяет характер химических связей.При обычном давлении Углерод вообще не плавится — он сублимирует, переходя непосредственно из твёрдого состояния в пар при температуре около 3915 K (3641.9 °C). Жидкое агрегатное состояние существует только при давлении выше примерно 10.8 МПа; плавление происходит примерно при 4600 K. Поэтому указание одной «температуры плавления» для Углерод вводит в заблуждение без указания давления.
Стандартная атомная масса Углерод составляет 12.011 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Углерод составляет 2.267 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Углерод примерно в 2.3× тяжелее.
Электроотрицательность Углерод по шкале Полинга составляет 2.55. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Углерод известен с древности — он встречается в форме, пригодной для использования без выплавки, поэтому нельзя приписать его открытие какому-либо одному человеку. Название происходит от латинское carbo, «древесный уголь».
На долю Углерод приходится около 0.2% земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.