УГЛЕРОД

УГЛЕРОД (лат. Carboneum),
С, хим. элемент IV группы периодической системы Менделеева, ат.
н. 6, ат. м. 12,011. Известны два стабильных изотопа: ¹²С (98,892%)
и
¹³С (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен
¹⁴С с периодом полураспада(Т¹/
= 5,6 *10³ лет). Небольшие кол-ва ¹⁴С (ок.
2*10^-10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях
атмосферы при действии нейтронов космич. излучения на изотоп азота ¹⁴N.
По уд. активности изотопа ⁰С в остатках биогенного происхождения
определяют их возраст. ¹⁴С широко используется в качестве изотопного
индикатора.

Историческая справка. У. 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. Хим. состав алмаза был установлен в результате
опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе
и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые
кол-ва алмаза и угля дают при окислении равные кол-ва углекислого газа.
У. был признан хим. элементом в 1789 Лавуазье. Латинское назв. саг-boneum
У. получил от carbo - уголь.

Распространение в природе. Ср. содержание
У. 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). У. накапливается в верхней части земной коры
(биосфере): в живом веществе 18% У., древесине 50%, кам. угле 80%,
нефти 85%, антраците 96%. Значит. часть У. литосферы сосредоточена в известняках
и доломитах.

Число собств. минералов У. -112; исключительно
велико число органич. соединений У.- углеводородов и их производных.

С накоплением У. в земной коре связано
накопление и мн. др. элементов, сорбируемых органич. веществом и осаждающихся
в виде нерастворимых карбонатов, и т. д. Большую геохимич. роль в земной
коре играют СОвыделяется при вулканизме - в истории Земли это был осн. источник У. для
биосферы.

По сравнению со средним содержанием в земной
коре человечество в исключительно больших количествах извлекает У. из недр
(уголь, нефть, природный газ), т. к. эти ископаемые - осн. источник
энергии.

Огромное геохимич. значение имеет круговорот
У. (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ).

У. широко распространён также в космосе;
на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

Физ. и хим. свойства. Известны четыре кристаллич.
модификации У.: 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 = 2,462А,
c
= 6,70lA. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м²,
или 1 кгс/см²) графит термодинамически стабилен. А л-м
а з - очень твёрдое, кристаллич. вещество. Кристаллы имеют кубич. гранецент-рированную
решётку: а = 3,560А. При комнатной темп-ре и нормальном давлении
алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см.
в соответств. статьях). Заметное превращение алмаза в графит наблюдается
при темп-pax выше 1400 ⁰С в вакууме или в инертной атмосфере.
При атм. давлении и темп-ре ок. 3700 °С графит Возгоняется. Жидкий У. может
быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м²
(105 кгс/см²)
и темп-pax выше 3700 °С. Для твёрдого У. (кокс, сажа, древесный
уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - т.
н. "аморфный" У., к-рый не представляет собой самостоятельной модификации;
в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание
нек-рых разновидностей "аморфного" У. выше 1500-1600 °С без доступа воздуха
вызывает их превращение в графит. Физические свойства "аморфного" У. очень
сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость,
теплопроводность и электропроводность "аморфного" У. 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 внеш. электронной оболочки
атома У. 2s²2p². Для У. характерно образование четырёх
ковалентных связей, обусловленное возбуждением внеш. электронной оболочки
до состояния 2sp³. Поэтому У. способен в равной степени
как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться
за счёт sp³-, sp²-и sp-гибридных орбиталей,
к-рым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов
У. и число валентных орбиталей одинаково;
это одна из причин устойчивости связи между атомами У.

Уникальная способность атомов У. соединяться
между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению
громадного числа разнообразных соединений У., изучаемых органической
химией.

В соединениях У. проявляет степени окисления
- 4; +2; +4. Атомный радиус 0,77А, ковалентные радиусы 0,77А, 0,67А,
0,60А соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус
С^4- 2,60А, С⁴⁺ 0,20А. При обычных условиях У. химически
инертен, при высоких темп-pax он соединяется со мн. элементами, проявляя
сильные восстановит. свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный"
У., графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит
соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 ⁰С
и 850-1000 °С с образованием двуокиси углерода СОСО.

СОугольной
кислоты. В 1906 О. Дильс получил недоокись У. СВсе формы У. устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только
очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентриров. HNOи КСlO). "Аморфный" У. реагирует с фтором при
комнатной темп-ре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредств. соединение
У. с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом У. не реагирует,
поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным
путём. Из оксигалогенидов общей формулы СОХ)
наиболее
известна хлорокись СОСl (фосген). Водород с алмазом не взаимодействует;
с графитом и "аморфным" У. реагирует при высоких температурах в присутствии
катализаторов (Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном метан
СНв продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, напр. этан Сбензол Си графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 С; во всех
случаях образуется сероуглерод CSсеру (тиоокись CS, тионедоокись Си тиофосген CSC1), получают косвенным путём. При взаимодействии
CSтиоугольной к-ты. Взаимодействие У. с азотом с получением циана (CN)происходит при пропускании электрич. разряда между угольными электродами
в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений У. важное практич. значение
имеют цианистый водород HCN (см. Синильная кислота) и его многочисл.
производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При темп-рах выше 1000
°С У. взаимодействует со мн. металлами, давая карбиды. Все формы
У. при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных
металлов (Zn, Cd, Си, РЬ и др.) или карбидов (СаСWC, ТаС и др.). У. реагирует при темп-pax выше 600- 800 °С с водяным
паром и углекислым газом (см. Газификация топлив). Отличит. особенностью
графита является способность при умеренном нагревании до 300-400 °С взаимодействовать
со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения
типа
С- металл). Известны соединения включения графита с HNOH).
Все формы У. нерастворимы в обычных неорганич. и органич. растворителях,
но растворяются в нек-рых расплавленных металлах (напр., Fe, Ni,Co).

Народнохозяйственное значение У. определяется
тем, что св. 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии
приходится на органич. топливо, главенствующая роль к-рого сохранится
и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики.
Только ок. 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного
органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения
пластических
масс и др.

О получении и применении У. и его соединений
см. также Ллмаз, Графит, Кокс, Сажа, Углеродистые огнеупоры,
Углерода двуокись, Углерода окись, Карбонаты. Б. А. Поповкин.

У. в организме. У.- важнейший биогенный
элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного
числа органич. соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении
их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные
биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.).
Значит. часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт
окисления У. Возникновение жизни на Земле рассматривается в совр. науке
как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение
жизни).

Уникал-ьная роль У. в живой природе обусловлена
его свойствами, к-рыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодич.
системы. Между атомами У., а также между У. и др. элементами образуются
прочные хим. связи, к-рые, однако, могут быть разорваны в сравнительно
мягких физиологич. условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными
и тройными). Способность У. образовывать 4 равнозначные валентные
связи с др. атомами У. создаёт возможность для построения углеродных скелетов
разл. типов - линейных, разветвлённых, 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 хим. связей позволяет намного сократить кол-во ферментов, необходимых
для расщепления и синтеза органич. веществ. Особенности строения атома
У. лежат в основе разл. видов изомерии органич. соединений (способность
к оптич. изомерии оказалась решающей в биохимич. эволюции аминокислот,
углеводов и нек-рых алкалоидов).

Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина,
первые
органич. соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками
У. служили метан (СН) и цианистый водород (HCN),
содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным
источником неорганич. У., за счёт к-рого образуется всё органич. вещество
биосферы, является углерода двуокись (СО), находящаяся
в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде НСОз. Наиболее
мощный механизм усвоения (ассимиляции) У. (в форме СО)
- фотосинтез - осуществляется повсеместно зелёными, растениями
(ежегодно ассимилируется ок. 100 млрд. т СО).
На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СОпутём хемосинтеза; в этом случае микроорга-низмы-хемосинтетики используют
не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганич. соединений.
Большинство животных потребляют У. с пищей в виде уже готовых органич.
соединений. В зависимости от способа усвоения органич. соединений принято
различать автотроф-ные организмы и гетеротрофные организмы. Применение
для биосинтеза белка и др. питат. веществ микроорганизмов, использующих
в качестве единств. источника У. углеводороды нефти,- одна из важных
совр. научно-технич. проблем.

Содержание У. 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 осн. за счёт тканевого дыхания, происходит окислит.
распад органич. соединений с выделением во внеш. среду СОУ. выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ.
После гибели животных и растений часть У. вновь превращается в СОв результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Т. о. происходит
круговорот У. в природе (см. Круговорот веществ). Значит. часть
У. минера-лизуется и образует залежи ископаемого У.: каменные угли, нефть,
известняки и др. Помимо осн. функции - источника У.- СОв природных водах и в биол. жидкостях, участвует в поддержании оптимальной
для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСОз У. образует
наружный скелет мн. беспозвоночных (напр., раковины моллюсков),
а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения
У., как HCN, СО, ССlв добиологический период, в дальнейшем, в процессе биол. эволюции, превратились
в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов У., в природе
распространён радиоактивный ¹⁴С (в организме человека его содержится
ок. 0,1 мккюри). С использованием изотопов У. в биол. и мед. исследованиях
связаны мн. крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота
У. в природе (см. Изотопные индикаторы). Так, с помощью радиоуглеродной
метки была доказана возможность фиксации Н¹⁴СО-и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза,
изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза мн. биологически активных
соединений и т. д. Применение ¹⁴С способствовало успехам мол.
биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной
информации. Определение удельной активности ¹⁴С 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; У б б е л о д е А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические
соединения, пер. с англ., М., 1965; Р е м и 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. 3., Ш н о л ь 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; Л ё в и А., С и к е в и ц
Ф., Структура и

Функции клетки, пер. с англ., 1971, гл.
7; иосфера, пер. с англ., М., 1972.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я