Вуглець

Вугле́ць, також КарбонВУЕ (хімічний знак — C, ) — хімічний елемент з атомним номером 6, що належить до 4-ї групи, 2-го періоду періодичної системи хімічних елементів; представник поліатомних неметалів.

Простими речовинами вуглецю (карбону) через його особливі хімічні властивості є кілька алотропних модифікацій із власними назвами, з яких найпоширенішими є: прозорий, дуже твердий алмаз; матово-чорний із металевим блиском, м'який графіт; мікропористе деревне вугілля; порошкоподібна сажа. Простої речовини із назвою вуглець не існує.

Вуглець є одним із поширених елементів земної кори, складаючи близько 0,1 % її маси. Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів.

Історія Вуглець є одним із перших хімічних елементів, який відомий людині. У вигляді деревного вугілля він застосовувався в давнину для виплавки металів. Здавна відомі алотропні модифікації вуглецю — алмаз і графіт. Вуглець є одним з елементів, ім'я першовідкривача якого невідомо, невідомо й те, яка з форм елементарного вуглецю — алмаз чи графіт — була відкрита раніше. І те й інше трапилося дуже давно, ще до виникнення письма.

Відкриття Ідентифікація вуглецю як хімічного елемента тісно пов'язана з розвитком уявлень про хімічну природу горіння. На межі XVII—XVIII ст. виникла теорія флогістону, висунута Йоганном Бехером і Георгом Шталем. Ця теорія визнавала наявність в кожному горючому тілі особливої елементарної речовини — невагомого флюїду — флогістону, що випаровується в процесі горіння. Оскільки при згорянні великої кількості вугілля залишається лише трохи попелу, флогістики вважали, що вугілля — це майже чистий флогістон. Саме цим пояснювали, зокрема, «флогістувальну» дію вугілля, — його здатність відновлювати метали з «вапен» і руд. Пізніші флогістики, Реомюр, Бергман та інші, вже почали розуміти, що вугілля є елементарною речовиною. Проте, вперше «чисте вугілля» було визнане елементарним Антуаном Лавуазьє, який досліджував процес спалювання в повітрі й у кисні вугілля та інших речовин.

1791 року англійський хімік Теннант першим отримав вільний вуглець у хімічній реакції. Він пропускав випари фосфору над прожареною крейдою, в результаті чого утворювалися фосфат кальцію і вуглець. Те, що алмаз при сильному нагріванні згоряє без залишку, було відомо давно. Ще 1751 року імператор Священної Римської імперії Франц I погодився дати алмаз і рубін для дослідів зі спалювання, після чого ці досліди навіть увійшли в моду. Виявилося, що згорає лише алмаз, а рубін (окис алюмінію з домішкою хрому) витримує без пошкодження тривале нагрівання у фокусі запалювальної лінзи. Лавуазьє поставив новий досвід зі спалювання алмазу за допомогою великої запалювальної машини і прийшов до висновку, що алмаз є насправді кристалічним вуглецем. Другий алотроп вуглецю, графіт, в епоху розквіту алхімії не відрізняли від молібденіту, сульфіду свинцю галеніту і називали плюмбаго (plumbago) або чорним свинцем, однак аналіз Карла Вільгельма Шлеєле 1778–1779 років довів, що це різні мінерали. Будучи флогістиком, Шлеєле визнав графіт сірчистим тілом особливого роду, особливим мінеральним вугіллям, що містить пов'язану «повітряну кислоту» (СО2) і велику кількість флогістону.

Двадцять років по тому Гітон де Морво шляхом обережного нагрівання перетворив алмаз на графіт, а потім — на вугільну кислоту.

Походження назви Назва з'явилася у книзі , Лавуазьє, Бертолле та Фуркруа «» (1787) замість французького «чисте вугілля» (charbone pur). Під цією ж назвою вуглець фігурує в «Таблиці простих тіл» і в «Елементарному підручнику хімії» Лавуазьє. Латинська назва елементу Carboneum походить від слова з давнім походженням carbo — «вугілля». Традиційна українська назва хімічного елементу «вуглець» також пов'язана зі словом вугілля, а назва «карбон» — це латинська версія, рекомендована IUPAC.

Поширення

Вуглець у природі трапляється як у вільному стані (алмаз, графіт, карбін і лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки), так і у вигляді різноманітних сполук. Середній вміст вуглецю в земній корі 2,3×10−2 % (мас) (1×10−2 в ультраосновних, 1×10−2 — в основних, 2×10−2 — у середніх, 3×10−2 — у кислих гірських породах); основна маса вуглецю концентрується в осадових гірських породах. Накопичення вуглецю в основному відбувається у верхній частині земної кори, де його наявність пов'язана в основному з живою речовиною, природними карбонатами (доломітами і вапняками), паливними копалинами: антрацитом (94—97 % С), кам'яним вугіллям (76—95 % С), бурим вугіллям (64—80 % С), нафтою (82—87 % С), горючими сланцями (56—78 % С), торфом (53—56 % С), горючими природними газами (до 74% метану) а також з бітумами та ін. Відомо понад 100 мінералів вуглецю, серед яких найпоширеніші карбонати кальцію, магнію та заліза. Він входить до складу кам'яного вугілля, нафти і природного газу, а також різних мінералів: мармуру, крейди і вапняку — CaCO3, доломіту — CaCO3·MgCO3, магнезиту — MgCO3, малахіту — CuCO3·Cu(OH)2 тощо. В атмосфері і гідросфері знаходиться у вигляді діоксиду вуглецю СО2, в повітрі 0,046% СО2 по масі, в водах річок, морів і океанів у ~ 60 разів більше.

Вуглець входить до складу рослин і тварин (~ 17,5%). . В організм людини вуглець надходить з їжею (у нормі — близько 300 г на добу). Загальний вміст вуглецю в організмі людини досягає близько 21 % (15 кг на 70 кг маси тіла). . Виводиться з організму переважно з повітрям, що видихається (вуглекислий газ), і сечею (сечовина).

Кругообіг вуглецю в природі включає біологічний цикл, виділення СО2 в атмосферу з вулканічних газів, при згорянні викопного палива, гарячих мінеральних джерел, з поверхневих шарів океанічних вод, а також при диханні, бродінні, гнитті.

Біологічний цикл полягає в тому, що вуглець у вигляді СО2 поглинається з тропосфери рослинами в процесі фотосинтезу, а потім, частково через організми тварин і людини, із біосфери вуглець знову повертається в атмосферу (у вигляді СО2) і геосферу (у вигляді решток організмів).

У газоподібному стані і у вигляді сполук із азотом і воднем вуглець виявлено в атмосфері Сонця, планет, його знайдено в кам'яних і залізних метеоритах.

На Сонці вуглець посідає 4-те місце за поширеністю після водню, гелію та кисню.

Важливу роль вуглець відіграє у процесах зоряного нуклеосинтезу (вуглецево-азотний цикл, потрійна α-реакція).

У природі трапляється мінерал шунгіт, в якому міститься як твердий вуглець (≈25%), так і значні кількості оксиду кремнію (≈35%).

Ізотопи Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів — 12С (98,93%) і 13С (1,07%) і малої кількості радіоактивного ізотопу 14С (-розпад з = 5730 років), зосередженого в атмосфері та верхній частині земної кори. Радіоактивний ізотоп постійно утворюється в нижніх шарах стратосфери в результаті бомбардування ядер азоту нейтронами космічних променів за реакцією: 14N + n → p 14C, а з середини 1950-х років — також як техногенний продукт роботи АЕС і випробувань ядерної зброї.

На вимірюванні відносного вмісту 14С в органічних рештках ґрунтується метод радіовуглецевого датування, що широко застосовується в археології та палеонтології. Він підходить для датування об'єктів, що мають вік приблизно до 60 000 років.

Всього відомо 15 різних ізотопів вуглецю.

+ Порівняльна характеристика ізотопів Карбону Характеристика Карбон-12 (12C) Карбон-13 (13C) Карбон-14 (14C) Кількість протонів (Z) 6 6 6 Кількість електронів 6 6 6 Кількість нейтронів (N) 6 7 8 Атомна маса ~12 а.о.м. ~13 а.о.м. ~14 а.о.м. Поширеність у природі ~98,9 % ~1,1 % Мізерна (<0,01 %) Стабільність Стабільний Стабільний Радіоактивний (β−-розпад) Період напіврозпаду — — ~5730 років

Утворення Утворення ядра вуглецю вимагає майже одночасного зіткнення трьох альфа-частинок, тобто ядер гелію. Такий процес, відомий як потрійний альфа-процес, може відбуватися тільки в надрах зір із великою густиною та високою температурою (близько 100 тис. Кельвінів). Щоб потрапити на Землю вуглець спочатку мав залишити материнську зорю, де він утворився (наприклад, унаслідок вибуху наднової), та потрапити до міжзоряного простору. Зоряні системи третього покоління, до яких належить Сонячна система, утворювалися з міжзоряного середовища, яке було вже збагачене елементами, важчими за гелій.

Ядра вуглецю відіграють також роль каталізатора в іншій термоядерній реакції — циклі Бете.

Алотропні модифікації

Вуглець утворює декілька алотропних видозмін. Серед них природні: алмаз, графіт, лонсдейліт, фулерен, вуглецеві нанотрубки та штучні: карбін, графен та аморфний вуглець у вигляді сажі і деревного вугілля.

Кристалічні форми Алмаз Графен Графіт Карбін Лонсдейліт Наноалмаз Фулерен Фулерит Вуглеволокно Вуглецеві нановолокна Вуглецеві нанотрубки

Аморфні форми Активоване вугілля Деревне вугілля Викопне вугілля: антрацит та ін. Кокс кам'яновугільний, нафтовий та ін. Скловуглець Техвуглець Сажа Вуглецева нанопіна На практиці, як правило, перераховані вище аморфні форми є хімічними сполуками з високим вмістом вуглецю, а не чистою алотропною формою вуглецю.

Кластерні форми Астралени Дивуглець Вуглецеві наноконуси

Алмаз

Алмаз — прозора, безбарвна або трохи забарвлена домішками в різноманітні відтінки кристалічна речовина. Для відшліфованих алмазів, діамантів, характерна особлива гра світла, зумовлена сильним заломленням на гранях.

В алмазі кожен атом вуглецю утворює ковалентні зв'язки із чотирма іншими атомами. Як наслідок утворюється гранецентрована кубічна структура із двох підґраток, що отримала назву структури алмазу. Така структура характерна також для інших елементів 14 підгрупи періодичної таблиці: кремнію та германію.

Алмаз — найтвердіша речовина серед усіх відомих, навіть міцніша за обсидіан. Завдяки своїй надзвичайній твердості він широко застосовується при бурінні твердих гірських порід, обробці твердих металів, виробництві абразивів тощо. Відшліфовані безбарвні кристали алмазу — діаманти — коштовні прикраси.

Найбільші родовища алмазів розташовано в Південній Африці та в Якутії. Щорічний світовий видобуток алмазу становить приблизно 300 кг. В останні роки алмаз почали одержувати штучно при дуже високих тисках і високій температурі.

Графіт

Графіт — темно-сіра непрозора дрібнокристалічна речовина, жирна на дотик. На відміну від алмазу графіт добре проводить електричний струм та тепло і дуже м'який.

Графіт у великих кількостях одержують штучно — нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах при температурі близько 3000 °C і підвищеному тиску без доступу повітря. Штучний графіт відзначається високою чистотою і м'якістю. За своїми властивостями він кращий за природний. Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною для виробництва вогнетривких тиглів. З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральними оливами його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.

Різка відмінність у фізичних властивостях алмазу і графіту зумовлена різною кристалічною будовою. В кристалах алмазу кожний атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, розміщеними на однаковій віддалі один від одного. В кристалах графіту атоми вуглецю розміщені у кутах правильних шестикутників в одній площині і утворюють окремі шари. Віддаль між окремими шарами більша, ніж між атомами в тому ж шарі. Внаслідок цього зв'язок між окремими шарами значно слабший, ніж між атомами того ж шару. Тому кристали графіту легко розщеплюються на окремі лусочки, які самі по собі досить міцні.

Графен

Графен за своєю будовою — двовимірна алотропна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю товщиною в один атом, з'єднаних за допомогою sp² зв'язків в гексагональну двовимірну кристалічну ґратку (окремий атомний шар зі структурою графіту) — атоми вуглецю утворюють сотову структуру з міжатомною віддаллю 142 пм. Без опори графен має тенденцію згортатися, але може бути стійким на підкладинці.

Карбін