Углерод (латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14C с периодом полураспада (Т = 5,6×103 лет). Небольшие количества 14C (около 2×10-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N. По удельной активности изотопа 14C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14C широко используется в качестве изотопного индикатора .
Историческая справка. Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле , нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum Углерод получил от carbo - уголь.
Распространение в природе. Среднее содержание Углерод в земной коре 2,3×10-2% по массе (1×10-2 в ультраосновных, 1×10-2 - в основных, 2×10-2 - в средних, 3×10-2 - в кислых горных породах). Углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% Углерод , древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть Углерод литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов Углерод - 112; исключительно велико число органических соединений Углерод - углеводородов и их производных.
С накоплением Углерод в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют C O 2 и угольная кислота. Огромное количество C O 2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основной источник Углерод для биосферы.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает Углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые - основной источник энергии.
Огромное геохимическое значение имеет круговорот Углерод (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ ).
Углерод широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физико и химические свойства. Известны четыре кристаллические модификации Углерод : графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит - серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а=2,462Å, c=6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2, или 1 кгс/см2)графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку: а = 3,560 Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 °С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется. Жидкий Углерод может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м2 (105 кгс/см2) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого Углерод (кокс , сажа , древесный уголь ) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемый «аморфный» Углерод , который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» Углерод выше 1500-1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства «аморфного» Углерод очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность «аморфного» Углерод всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см3). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома Углерод 2s22p2. Для Углерод характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp3. Поэтому Углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счёт sp3-, sp2- и sp-гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов Углерод и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами Углерод
Уникальная способность атомов Углерод соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений Углерод , изучаемых органической химией .
В соединениях Углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C 4- 2,60Å, C 4+ 0,20Å. При обычных условиях Углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» Углерод , графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием двуокиси углерода C O 2 и окиси углерода C O.
C O 2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты . В 1906 О. Дильс получил недоокись Углерод C 3O 2. Все формы Углерод устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных H N O 3 и K Cl O 3 и др.). «Аморфный» Углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение Углерод с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом Углерод не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х - галоген) наиболее известна хлорокись C O Cl 2 (фосген ). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и «аморфным» Углерод реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном метан C H 4, при 1500- 2000 °С - ацетилен C 2H 2, в продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, например этан C 2H 6, бензол C 6H 6. Взаимодействие серы с «аморфным» Углерод и графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод C S 2. Др. соединения Углерод , содержащие серу (тиоокись C S, тионедоокись C 3S 2, сероокись C O S и тиофосген C S Cl 2), получают косвенным путём. При взаимодействии C S 2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие Углерод с азотом с получением циана (C N)2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений Углерод важное практическое значение имеют цианистый водород H C N (см. Синильная кислота ) и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000 °С Углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды . Все формы Углерод при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (Ca C 2, Mo 2C, W O, Ta C и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600- 800 °С с водяным паром и углекислым газом (см. Газификация топлив ). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C 8Me, C 24Me, C 8X (где Х - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с H N O 3, H 2S O 4, Fe Cl 3 и др. (например, бисульфат графита C 24S O 4H 2). Все формы Углерод нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение Углерод определяется тем, что свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо , главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза , для получения пластических масс и др.
О получении и применении Углерод и его соединений см. также Алмаз , Графит , Кокс , Сажа , Углеродистые огнеупоры , Углерода двуокись , Углерода окись , Карбонаты .
Б. А. Поповкин.
Углерод в организме. Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры , а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт окисления Углерод Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение жизни ).
Уникальная роль Углерод в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между атомами Углерод , а также между Углерод и др. элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность Углерод образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. атомами Углерод создаёт возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определённая экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома Углерод лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина , первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерод служили метан (C H 4) и цианистый водород (H C N), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерод , за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (C O 2), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде H C O -3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерод (в форме C O 2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т C O 2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения C O 2 путём хемосинтеза ; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют Углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы . Применение для биосинтеза белка и др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника Углерод углеводороды нефти,- одна из важных современных научно-технических проблем.
Содержание Углерод в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основном за счёт тканевого дыхания , происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду C O 2. Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерод вновь превращается в C O 2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерод в природе (см. Круговорот веществ ). Значительная часть Углерод минерализуется и образует залежи ископаемого Углерод : каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основные функции - источника Углерод - C O 2, растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе Ca C O 3 Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения Углерод , как H C N, C O, C Cl 4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.
Помимо стабильных изотопов Углерод , в природе распространён радиоактивный 14C (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов Углерод в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота Углерод в природе (см. Изотопные индикаторы ). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации H 14C O -3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.
Н. Н. Чернов.
Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. - Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.