Сообщение на тему применение углерода

Обновлено: 28.06.2024

Углерод — это, пожалуй, основной и самый удивительный химический элемент на Земле, ведь с его помощью формируется колоссальное количество разнообразных соединений, как неорганических, так и органических. Углерод является основой всех живых существ, можно сказать, что углерод, наравне с водой и кислородом, — основа жизни на нашей планете! Углерод имеет разнообразие форм, которые не похожи ни по своим физико-химическим свойствам, ни по внешнему виду. Но всё это углерод!

История открытия углерода

Углерод в природе

Содержание углерода в земной коре составляет всего около 0,15%. Казалось бы, один из основных элементов, а так мало… На самом деле, углерод подвержен постоянному круговороту из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Из углерода состоят природный газ, нефть, уголь, торф, известняки и многие другие соединения.

Наиболее значимое количество углерода собрано в атмосфере и гидросфере в виде углекислого газа. В атмосфере углерода содержится около 0,046%, а еще больше — в растворенном виде в Мировом Океане.

Кроме того, как мы видели выше, углерод является основой живых организмов. Например, в теле человека массой 70 кг содержится около 13 кг углерода! Это только в одном человеке! А углерод содержится также во всех растениях и животных. Вот и считайте…

Круговорот углерода в природе

Аллотропные модификации углерода

Углерод — уникальный химический элемент, который образует так называемые аллотропные модификации, или, проще говоря, различные формы. Эти модификации подразделяются кристаллические, аморфные и в виде кластеров.

Аллотропные формы углерода: a) лонсдейлит; б) алмаз;
в) графит; г) аморфный углерод; д) C60 (фуллерен); е) графен;
ж) однослойная нанотрубка

Аморфные формы образованы углеродом с небольшими примесями других химических элементов. Основные представители этой группы: уголь (каменный, древесный, активированный), сажа, антрацит.

Самыми сложными и высокотехнологичными являются соединения углерода в виде кластеров. Кластеры — это особая структура, при которой атомы углерода расположены таким образом, что образуют полую форму, которая заполнена изнутри атомами других элементов, например, воды. В этой группе не так уж и много представителей, в неё входят углеродные наноконусы, астралены и диуглерод.

Применение углерода

Углерод и его соединения имеют огромное значение в жизнедеятельности человека. Из углерода образованы главные виды топлива на Земле — природный газ и нефть. Соединения углерода широко применяются в химической и металлургической промышленности, в строительстве, в машиностроении и медицине. Аллотропные модификации в виде алмазов используют в ювелирном деле, фуллерит и лонсдейлит в ракетостроении. Из соединений углерода изготавливаются различные смазки для механизмов, техническое оборудование и многое другое. Промышленность в настоящее время не может обойтись без углерода, он используется везде!

Углерод С находится в периодической таблице Менделеева под номером 6. Еще первобытные люди обратили внимание, что после сжигания древесины образуется уголь, которым можно рисовать на стенах пещеры. В составе любых органических соединений есть углерод. Наиболее изучены две аллотропные модификации углерода: графит и алмаз.

Графит — мягкое черное вещество, которое легко оставляет следы на бумаге, имеет металлический блеск.

Помимо этого, графит является отличным проводником тепла и электрического тока. Графит используют в промышленности для изготовления графитных смазок, а также для производства карандашей.

Графитовый сланец [Deposit Photos]

В отличие от графита, структура алмаза (другой аллотропной модификации) напоминает тетраэдр. Кроме углерода, в состав алмаза также входят хром, кремний, алюминий, марганец, титан, железо. Наибольшую долю в составе алмаза углерод делит с азотом. Благодаря своей структуре он не проводит электрический ток и обладает слабой теплопроводностью. Алмазы используют для изготовления драгоценных камней — бриллиантов. Искусственно созданные алмазы используют для изготовления режущих инструментов, абразивных материалов.

[Wikipedia]

Еще одной аллотропной модификацией углерода признан фуллерен. Он состоит из множества атомов углерода, соединенных ковалентными связями. Молекулы в сложной структуре фуллерена удерживаются электростатическими и вандерваальсовыми силами. Свойства фуллерена еще не до конца изучены. Но уже известно, что благодаря своей способности поглощать свободные радикалы эта аллотропная модификация углерода может применяться при изготовлении лекарств.

Молекула фуллерена [Deposit Photos]

Химические свойства углерода

1. Углерод является неметаллом и способен взаимодействовать с металлами и образовывать карбиды:

2. В кислородной среде углерод сгорает в два этапа:

3. При взаимодействии углерода и водорода получается органическое вещество — метан:

4. При испарении воды под раскаленным углем образуются угарный газ и водород:

5. Углерод не реагирует с хлором, бромом и йодом, но взаимодействует со фтором:

6. Реагирует с серой:

7. Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:

2ZnO + C = 2Zn + CO₂

8. При повышении температуры реакции углерод взаимодействует с серной кислотой:

C + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

Чтобы лучше изучить свойства этого элемента, рекомендуем провести несколько наглядных экспериментов.

Углерод в органической химии

Углерод занимает особое место в периодической cистеме. Благодаря своему строению он образует длинные цепочки связей линейной или циклической структуры. Известно более 10 миллионов органических соединений. Несмотря на свое разнообразие, на воздухе и под действием температуры они всегда будут превращаться в углекислый газ и воду.

[Deposit Photos]

Роль углерода в нашей повседневной жизни огромна. Без углекислого газа не будет происходить фотосинтез — один из основных биологических процессов.

Применение углерода

Углерод широко применяется в медицине для создания различных лекарств органической природы. Изотопы углерода позволяют проводить радиоуглеродный анализ. Без углерода невозможна работа металлургической промышленности. Уголь, сгорающий в твердотопливных пиролизных котлах, служит источником энергии. В нефтеперерабатывающей промышленности из органических соединений углерода производят бензин и дизельное топливо. В значительной мере углерод необходим для производства сахара. Также он применяется в синтезе органических соединений, важных для всех сфер повседневной жизни.

В природе углерода не так уж и много, но он есть везде: в воздухе (углекислый газ и угарный газ), растворен в океанах и реках, залегает в ископаемых породах в земле, содержится в каждой клетке растения, животного, человека. Существует круговорот углерода в природе:
— углекислый газ выделяется в атмосферу с вулканическими газами, из горячих источников, из поверхностных слоев рек и океанов, при сгорании топлив, при дыхании растений и животных;
— в тоже время, углекислый газ поглощается растениями, переходит в организм животных и людей, а после их смерти возвращается в почву.

В чистом виде и в значимых количествах углерод встречается только в виде алмазов и графитов. Но он — составная часть ископаемого топлива (уголь, нефть, газ, сланцы), торфа, битумов, природных минералов (мел, известняк, доломиты, карбонаты).

Токсическое действие

При разработках угольных месторождений, при сжигании топлив, в процессе деятельности человека в воздух поступает большое количество аэрозолей углерода, попадающих в органы дыхания человека и животных. Регулярное вдыхание аэрозолей с высокой концентрацией углерода приводят к таким заболеваниям, как пылевой бронхит, антракоз. На всех производствах, связанных с углеродными аэрозолями и пылью, обязательно нормируется ПДК содержания алмазов, кокса, угля, углеродной пыли, сажи и др. Работники обязательно должны использовать средства защиты органов дыхания при работе с ними.

Угарный газ и углекислый газ обладают токсическим действием, превышение ПДК этих газов в воздухе может вызвать летальный исход. Поэтому в закрытых помещениях большое внимание должно уделяться поглощению и удалению из воздуха углекислоты, выделяемой при дыхании.

Токсическим действием обладает радиоактивный изотоп С-14. Встраиваясь в молекулы белков, особенно в ДНК и РНК, он может оказывать мутагенное воздействие, поэтому для него тоже установлены ПДК содержания в воздухе рабочего помещения.

Применение

Нет ни одной области промышленности, в которой в той или иной степени не использовался бы углерод. Расскажем об основных сферах его использования:

• Основные виды ископаемого топлива на земле: нефть, уголь и газ — это соединения углерода. Они нужны для получения тепла, энергии, огромного количества химических материалов.
• В сельском хозяйстве, в медицине, энергетике, в ядерной отрасли.
• В промышленной индустрии очень востребованы карбонаты.
• Графит используется при изготовлении карандашей, электродов, высокотемпературных и низкотемпературных смазок, красителей; тиглей для металлических заготовок, углепластиков, углеродных волокон, стеклоуглерода и других углеграфитовых материалов, отличающихся особо высокой жаростойкостью.
• Стеклоуглерод идет на производство тиглей и электродов.
• Техуглерод применяется как наполнитель при производстве резин для шин и пластмасс. Придает им прочность, долговечность и некоторые особые свойства.
• Алмазы применяются в технике, сверлении, лазерных установках, в ювелирном деле. Технические алмазы используются для получения абразивных материалов. Только сложность обработки и высокая стоимость мешают алмазам стать лучшим материалом для подложек процессоров.
• В медицине используется активированный уголь для вывода токсинов, а графит — в мазях для лечения болезней кожи.
• Фильтры на основе угля применяются в противогазах, респираторах, лицевых масках и сменных патронах для них; системах очистки воды.
• В научных исследованиях радиоуглеродный анализ на основе изотопа С-14 — один из самых важных анализов в археологии, геологии, палеонтологии.
• Большие перспективы у применения новых неорганических материалов на основе углерода. Об этом — следующая статья.

Углерод – важнейший химический элемент периодической таблицы Менделеева. Без него, как и без кислорода и водорода немыслимой была бы сама Жизнь. Можно без преувеличения сказать, что жизнь всех живых существ от амебы до человека построена именно из соединений углерода. Углерод – биогенный элемент составляющий основу жизни на нашей планете. Будучи структурной единицей огромного числа различных органических соединений, он участвует и в построении живых организмов и в обеспечении их жизнедеятельности. Даже возникновение самой Жизни рассматривается учеными как сложный процесс эволюции углеродных соединений. А какие химические и физические свойства этого чудесного элемента, история его открытие и современное применение в химии, читайте об этом далее.

История открытия

На самом деле углерод был известен человеку еще с глубокой древности в виде своих аллотропных модификаций: алмаза и графита. Помимо этого углерод в виде древесного угля активно применялся при выплавке металлов. От угля происходит и само название углерода, как химического элемента.

Но в те далекие времена люди пользовались углеродом в виде угля, или любовались им же, в виде алмазов, неосознанно, без понимания того, какой важный химический элемент стоит за всем этим.

Научное открытие углерода произошло в 1791 году, когда английский химик Теннант впервые получил свободный углерод. Для получения углерода он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом. В результате этой химической реакции образовались фосфат кальция и чистый углерод. Впрочем, этому опыту предшествовали и другие искания, например выдающийся французский химик Лавуазье поставил опыт по сжиганию алмаза при помощи большой зажигательной машины. Драгоценный алмаз сгорел без остатка, после чего ученый пришел к выводу, что алмаз представляет собой ничто иное как кристаллический углерод.

Интересно, что в этих опытах совместно с алмазом пробовали сжигать и другие драгоценные камни, к примеру, рубин. Но другие камни выдерживали высокую температуру, только алмаз сгорал без остатка, что и обратило внимание на его отличную химическую природу.

Место в таблице Менделеева

В основе расположения химических элементов в периодической системе Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода. Атомная масса углерода составляет 12,011, согласно ней он занимает почетное 6-е место в таблице Менделеева и обозначается латинской литерой С.

Помимо этого следует обратить внимание на следующие характеристики углерода:

Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%)
Помимо этого известно 6 радиоактивных изотопов углерода. Один из них, изотоп 14 С с периодом полураспада 5,73*10 3 лет в небольших количествах образуется в верхних слоях атмосферы нашей планеты под действием космического излучения.

Строение атома

Атом углерода имеет 2 оболочки (как впрочем, и все элементы, расположенные во втором периоде) и 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Четыре валентных электрона находятся на внешнем электронном уровне атома углерода. А оставшиеся два электрона находятся на отдельных p-орбиталях, при этом они являются неспаренными.

Так на картинке изображена схема электронного строения атома углерода.

Физические свойства

Разумеется, разные аллотропные модификации углерода имеют и разные физические свойства. Если алмаз типичное твердое тело, то, к примеру, жидкий углерод, который можно получить только при определенном внешнем давлении, обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели алмаз или графит.

Химические свойства

В обычных условиях углерод, как правило, химически инертен, но при высоких температурах он может вступать в химические взаимодействия со многими другими элементами, обычно проявляя сильные восстановительные свойства. Приведем примеры химических реакций углерода как восстановителя с:

— с кислородом
C 0 + O₂ – t° = CO₂ углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O₂ – t° = 2C +2 O угарный газ

— с водяным паром
C 0 + H₂O – 1200° = С +2 O + H₂ водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом, выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O₂

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S₂ = СS₂.

Порой углерод может выступать и как окислитель, образуя карбиды при вступлении в химические реакции с некоторыми металлами:

Ca + 2C 0 = CaC₂ -4

Вступая в реакцию с водородом, углерод образует метан:

Роль в природе

В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.

Применение

Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.

Читайте также: