Рис. 1. Атомная структура углерода.

 

Углерод (химический символ — C, лат. Carboneum) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107.

Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,1% массы земной коры.

Рис. 2. Внешний вид простого вещества: прозрачный (алмаз), матово-чёрный (графит).

 

Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита.

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот «многоликий» элемент.

Алмаз — самый твёрдый известный природный минерал, что делает его отличным абразивом и позволяет использовать для шлифовки и полировки. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, огранённые алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

Графит — одна из самых обычных аллотропных форм углерода. В отличие от алмаза, графит обладает электропроводностью и широко применяется в электротехнике. Графит является самой устойчивой формой углерода при стандартных условиях. Поэтому в термохимии он принят за стандартное состояние углерода. Применяется для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, нагревательных элементов, твёрдых смазочных материалов, наполнителя пластмасс, замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, стержней карандашей, при высоких температурах и давлениях для получения синтетического алмаза. Порошок графита используется как сухая смазка. Однако в вакууме он заметно теряет смазочные свойства, это связано с тем, что смазочные свойства графита связаны с адсорбцией воздуха и воды между слоями в графите. Его чистые структурно изотропные синтетические формы, как например пиролитический графит и углеродистые графитовые волокна, представляют чрезвычайно прочный, огнеупорный материал, используемый для защиты носовых конусов ракет, в конструкциях сопел твёрдотопливных двигателей ракеты, высокотемпературных реакторов, тормозных колодок и электрических моторных щеток. Также служит как исходный материал для синтеза наноматериалов на основе углерода.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %. Источником углерода для живых организмов обычно является СО₂ (углекислый газ) из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.

Одним из важнейших достижений современной науки является получение наноматериалов, разработанных на основе уникальных наночастиц, таких как: углеродные нанотрубки, фуллерены, графены. Такие структуры могут полностью состоять из углерода.

К содержанию.