В состав каких химических соединений входит углерод. Углерод — характеристика элемента и химические свойства

Углерод (лат. Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14 С с периодом полураспада(Т ½ = 5,6·10 3 лет). Небольшие количества 14 С (около 2·10 -10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N. По удельной активности изотопа 14 С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14 С 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 году 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 году Лавуазье. Латинское название сагboneum Углерод получил от carbo - уголь.

Распространение Углерода в природе. Среднее содержание Углерода 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% Углерода, древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть Углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.

Число собственных минералов Углерода - 112; исключительно велико число органических соединений Углерода - углеводородов и их производных.

С накоплением Углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т. д. Большую геохимическую роль в земной коре играют СО 2 и угольная кислота. Огромное количество СО 2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основные источник Углерода 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 Углерода.

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

Физические свойства Углерода. Известны несколько кристаллических модификаций Углерода: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит и другие. Графит - серо-черная, 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/м 2 , или 1 кгс/см 2) графит термодинамически стабилен. Алмаз - очень твердое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а = 3,560Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен. 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/м 2 (105 кгс/см 2) и температурах выше 3700 °С. Для твердого Углерода (кокс, сажа, древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой - так называемых "аморфный" Углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей "аморфного" Углерода 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, теплоемкость, теплопроводность и электропроводность "аморфного" Углерода всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9-2 г/см 3). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно.

Химические свойства Углерода. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Углерода 2s 2 2p 2 . Для Углерода характерно образование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp 3 . Поэтому Углерод способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счет sp 3 -, sp 2 - и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов Углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами Углерода.

Уникальная способность атомов Углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений Углерода, 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 С 4- 2,60Å, С 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 оксида углерода (IV) СО 2 и оксида углерода (II) СО.

СО 2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты. В 1906 году О. Дильс получил недооксид Углерода С 3 О 2 . Все формы Углерода устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO 3 и КСlO 3 и других). "Аморфный" Углерод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение Углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом Углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углерода синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы СОХ 2 (где X - галоген) наиболее известна хлороксид СОСl (фосген). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" Углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600-1000 °С образуется в основном метан СН 4 , при 1500-2000 °С - ацетилен С 2 Н 2 ; в продуктах могут присутствовать также других углеводороды, например этан С 2 Н 6 , бензол С 6 Н 6 . Взаимодействие серы с "аморфным" Углеродом и графитом начинается при 700-800 °С, с алмазом при 900-1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS 2 . Другие соединения Углерода, содержащие серу (тиооксид CS, тионедооксид С 3 S 2 , серооксид COS и тиофосген CSCl 2), получают косвенным путем. При взаимодействии CS 2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие Углерода с азотом с получением циана (CN) 2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений Углерода важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (Синильная кислота) и его многочисленные производные: цианиды, галогенцианы, нитрилы и других При температурах выше 1000 °С Углерод взаимодействует со многими металлами, давая карбиды. Все формы Углерода при нагревании восстанавливают оксиды металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Рb и других) или карбидов (СаС 2 , Мо 2 С, WC, ТаС и других). Углерод реагирует при температурах выше 600-800 °С с водяным паром и углекислым газом (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 С 8 Ме, С 24 Ме, С 8 Х (где X - галоген, Me - металл). Известны соединения включения графита с HNO 3 , H 2 SO 4 , FeCl 3 и другие (например, бисульфат графита C 24 SO 4 H 2). Все формы Углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).

Народнохозяйственное значение Углерода 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 других.

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 другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления Углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один других элемент периодической системы. Между атомами Углерода, а также между Углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность Углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с других атомами Углерода создает 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 определенная 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 Углерода 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 органических соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерода служили метан (СН 4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является оксид углерода (IV) (СО 2), находящийся в атмосфере, а также растворенный в природных водах в виде НСО 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерода (в форме СО 2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т СО 2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО 2 путем 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 других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника Углерода углеводороды нефти, - одна из важных современное научно-технических проблем.

Содержание Углерода в живых организмах в расчете 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 основные за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду СО 2 . Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерода вновь превращается в СО 2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть Углерода минерализуется и образует залежи ископаемого Углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Помимо основной функции - источника Углерода - СО 2 , растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО 3 Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других Такие соединения Углерода, как HCN, СО, ССl 4 , преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов Углерода, в природе распространен радиоактивный 14 С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов Углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота Углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н 14 СО 3 - растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14 С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

УГЛЕРОД, С (а. carbon; н. Kohlenstoff; ф. carbone; и. carbono), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева , атомный номер 6, атомная масса 12,041. Природный углерод состоит из смеси 2 стабильных изотопов: 12 С (98,892%) и 13 С (1,108%). Известно также 6 радиоактивных изотопов углерода, из которых наиболее важным является изотоп 14 С с периодом полураспада 5,73.10 3 лет (этот изотоп в небольших количествах постоянно образуется в верхних слоях атмосферы в результате облучения ядер 14 N нейтронами космического излучения).

Углерод известен с глубокой древности. Древесный использовался для восстановления металлов из руд , а алмаз — как . Признание углерода в качестве химического элемента связано с именем французского химика А. Лавуазье (1789).

Модификации и свойства углерода

Известны 4 кристаллические модификации углерода: графит , алмаз, карбин и лонсдейлит, сильно различающиеся по своим свойствам. Карбин — искусственно полученная разновидность углерода, представляющая собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета, кристаллическая структура которого характеризуется наличием длинных цепочек атомов углерода, расположенных параллельно друг другу. Плотность 3230-3300 кг/м 3 , теплоёмкость 11,52 Дж/моль.К. Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно; его структура и физические свойства окончательно не установлены. Для углерода характерно также состояние с неупорядоченной структурой — т.н. аморфный углерод (сажа, кокс , древесный уголь). Физические свойства "аморфного" углерода в сильной степени зависят от дисперсности частиц и от наличия примесей.

Химические свойства углерода

В соединениях углерод имеет степени окисления +4 (наиболее распространённая), +2 и +3. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность углерода убывает в ряду "аморфный" углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха у этих разновидностей углерода происходит соответственно при температурах 300-500°С, 600-700°С и 850-1000°С с образованием диоксида (CO 2) и монооксида (CO) углерода. Диоксид растворяется в воде с образованием угольной кислоты. Все формы углерода устойчивы к щелочам и кислотам. С галогенами углерод практически не взаимодействует (кроме графита, который с F 2 выше 900°С реагирует), поэтому его галогениды получают косвенным путём. Среди азотсодержащих соединений важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (синильная кислота) и его многочисленные производные. При температурах выше 1000°С углерод взаимодействует со многими металлами, образуя карбиды. Все формы углерода нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях.

Важнейшее свойство углерода — способность его атомов образовывать прочные химические связи между собой, а также между собой и другими элементами. Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами углерода позволяет строить углеродные скелеты разных типов (линейные, разветвлённые, циклические); именно этими свойствами и объясняется исключительная роль углерода в строении всех органических соединений и, в частности, всех живых организмов.

Углерод в природе

Среднее содержание углерода в земной коре 2,3.10 % (по массе); при этом основная масса углерода концентрируется в осадочных горных породах (1%), тогда как в других горных породах существенно более низкие и примерно одинаковые (1-3.10%) концентрации этого элемента. Углерод накапливается в верхней части , где его присутствие связано в основном с живым веществом (18%), древесиной (50%), каменным углём (80%), нефтью (85%), антрацитом (96%), а также с доломитами и известняками . Известно свыше 100 минералов углерода, из которых наиболее распространены карбонаты кальция , магния и железа (кальцит CaCO 3 , доломит (Ca, Mg)CO 3 и сидерит FeCO 3). С накоплением углерода в земной коре часто связано и накопление других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся после его захоронения на дне водоёмов в виде нерастворимых соединений. Большие количества диоксида CO 2 выделяются в атмосферу из Земли при вулканической деятельности и при сжигании органических топлив. Из атмосферы CO 2 усваивается растениями в процессе фотосинтеза и растворяется в морской воде , слагая тем самым важнейшие звенья общего круговорота углерода на Земле. Важную роль играет углерод и в космосе; на Солнце углерод занимает 4-е место по распространённости после водорода, гелия и кислорода, участвуя в ядерных процессах.

Применение и использование

Важнейшее народно-хозяйственное значение углерода определяется тем, что около 90% всех первичных источников энергии, потребляемой человеком, приходится на органическое топливо. Наблюдается тенденция использовать нефть и не как топливо, а как сырьё для разнообразных химических производств. Меньшую, но тем не менее весьма существенную роль в народном хозяйстве играет углерод, добываемый в виде карбонатов (металлургия, строительство, химические производства), алмазов (ювелирные украшения, техника) и графита (ядерная техника, жаропрочные тигли, карандаши, некоторые виды смазок и т.д.). По удельной активности изотопа 14 С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст (радиоуглеродный метод датирования). 14 С широко используется в качестве радиоактивного индикатора. Важное значение имеет наиболее распространённый изотоп 12 С — одна двенадцатая часть массы атома этого изотопа принята за единицу атомной массы химических элементов.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— со фтором
С + 2F 2 = CF 4

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

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

— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 2SO 2 ­ + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 ­ + 4NO 2 ­ + 2H 2 O

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .

Углерод как окислитель:

— с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

C 0 + 2H 2 = CH 4

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II) СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO­

H 2 C 2 O 4 = CO­ + CO 2 ­ + H 2 O

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)

4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5) с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Оксид углерода (IV) СO 2

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Получение

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ­

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2 ­

Химические свойства СO 2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O

Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2

Угольная кислота и её соли

H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 ­

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2 ­

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2 ­

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2 ­

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .

Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

C= O: [:C= N:] –

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды :
KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

H-N=C=O; H-O-C= N:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота

H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.

Синтез мочевины (карбамида):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.

Общие сведения и методы получения

Углерод (С) -неметалл. Название происходит от слова уголь В при­роде находится как в свободном состоянии, так и в виде многочислен­ных соединений. В качестве продуктов разложения древних формаций существуют угли, главной составной частью которых является углерод.

Нефть, озокерит (горный воск) и асфальт также являются углерод­ными соединениями, которые, очевидно, возникли при разложении древ­них организмов,

Углерод является главной составной частью животного и раститель­ного мира.

Несмотря на большое многообразие твердых конденсированных сис­тем углерода (угли, кокс, сажа, графит, алмаз и др), он имеет две кристаллические модификации: гексагональную (равновесную) в виде графита и кубическую (метастабильную) в виде алмаза. Углерод, по­лученный при термическом разложении его соединений, имеет плотную черную окраску. Ранее черный углерод считали особой аморфной мо­дификаций элемента. Согласно последним данным, тонкая структура атой модификации отвечает графиту.

Графит образует довольно обширные месторождения. Хорошо сфор­мированные кристаллы графита встречаются редко. Графит гибок, мягок, обладает слабым металлическим блеском, отличается маркостью. При­родный графит часто загрязнен другими элементами (до 20 °/о), поэтому для нужд современной техники и прежде всего атомной энергетики ис­пользуют искусственный графит высокой чистоты. Для производства искуственного графита используют в основном нефтяной кокс как на­полнитель и каменноугольный пек как связующее. В качестве добавок к наполнителю применяют природный графит и сажу. Иногда в качест­ве связующего используют некоторые синтетические смолы, например фурановые или фенольные. Производство искусственного графита сос­тоит из ряда механических операций (дробления, размола, рассева кокса по фракциям, смешения кокса со связующими, формовки заготовок) и термических отжигов при разной температуре и длительности. Графити-зация - окончательная термическая обработка, превращающая углерод­ный материал в графит, проводится при 3000-3100°С.

Углерод в форме алмаза представляет собой очень твердые, абсо­лютно прозрачные (в чистом виде) кристаллы, сильно преломляющие свет. Естественные грани алмаза часто являются гранями правильных октаэдров; однако встречаются и другие формы кубической системы среди ннх тетраэдр, что указывает на то, что алмаз принадлежит к тет-раэдрической гемнэдрии кубической системы.

В природе алмазы встречаются главным образом в россыпях, т. е. в наносных породах. В ряде мест алмазы обнаружены в оливинах вулка­нического происхождения, в так называемых кимберлитовых трубках.

В послевоенный период налажено промышленное получение искусст­венных алмазов как необходимого сырья для изготовления различных паст и режущего инструмента.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер углерода 6, атомная масса 12,01115 а.е.м, атомный объем 3,42*10- 6 м 3 /моль. Атомный радиус ко-валентный равен 0,077 нм; ионный радиус С 4 + 0,02 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома углерода 2л,2 2р 2 . Углерод состоит из двух стабильных изотопов |2 С и |3 С, содержание которых соответст­венно равно 98,892 и 1,108 %. Известны радиоактивные изотопы с мас­совыми числами 10, 11, 14, 15, период полураспада которых соответст­венно составляет 19,1 с, 1224 с, 5567 лет, 2,4 с.

Аллотропические модификации - графит и алмаз. Графит имеет гексагональную кубическую решетку, периоды который при комнатной температуре: а=0,2456 нм, с=0,6696 нм. Алмаз имеет кубическую ре­шетку с периодом а = 0,356679 нм. Потенциалы ионизации атома угле­рода / (эВ): 11,264; 24,376; 47,86. Электроотрицательность 2,5. Работа выхода электронов <р=4,7 эВ. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,0034*10 -28 м 2 .

Плотность. При комнатной температуре рентгеновская плотность гра­фита 2,666 Мг/м 3 , пикнометрическая плотность 2,253 Мг/м 3 ; при тех же условиях рентгеновская плотность алмаза 3,515 Мг/м 3 , а пикнометриче­ская 3,514 Мг/м 3 .

Механические свойства

Алмаз по твердости превосходит все другие вещества, поэтому его можно шлифовать и вообще обрабатывать только алмазным порошком. Несмотря на высокую твердость, алмаз очень хрупок.

Микротвердость алмаза по Кнуппу при 20 °С 88200 МПа. Мнкротвер-дость, определенная при помощи обычной пирамиды, 78500 МПа. Вре­менное сопротивление при растяжении при комнатной температуре а в - = 1760-4-1780 МПа; модуль нормальной упругости при растяжении Е= = 1141,1 ГПа, в направлении £=1202 ГПа, а в направлении £=1052 ГПа (данные относятся к комнатной температуре).

Графит в отличие от алмаза обладает незначительной твердостью. По шкале Мооса твердость алмаза равна 10, а твердость графита 1, Временное сопротивление при растяжении пористого графита о„=0,34+ -*-0,69 МПа, а электродного графита о п =3,43-И7,2 МПа (вдоль элект­рода). В поперечном направлении а„=6,18н-8,93 МПа. На нитях из графита можно получить o B =26- i -28 МПа; на «усах» из графита до­стигнута прочность 480-500 МПа (данные относятся к комнатной температуре). Графит сравнительно хорошо сопротивляется сжимаю­щим нагрузкам. Так, о™ реакторного графита при 20 "С составляет 20,6-34,3 МПа. В уплотненном графите эта характеристика может быть доведена до 70 МПа. Сжимаемость графита и=3,24*10 -11 Па- 1 , сжима­емость алмаза х = 0,23-Ю - " Па -1 .

Химические свойства

В соединениях проявляет степени окисления -4, +2 и +4.

Углерод, независимо от модификации, обладает малой химической активностью. Он не растворяется в обычных растворителях, но хорошо растворяется в расплавленных металлах, особенно в металлах IVA - V1IIA подгрупп Периодической системы. При охлаждении расплавов углерод выпадает или в виде свободного графита, или в виде соедине­ний металла с углеродом. Алмаз отличается очень высокой химической стойкостью. На него не действуют ни кислоты, ни основания. При на­греве в кислороде выше 800 °С алмаз сгорает до С0 2 . Если алмаз на­гревать без доступа воздуха, то ои превращается в графит.

Графит легче поддается химическому воздействию, чем алмаз; при нагреве в чистом кислороде он воспламеняется уже при 637-642 С. Графит, смоченный концентрированной азотной кислотой, при нагреве до красного каления вспучивается. При обработке концентрированной серной кислотой в присутствии окислителей графит разбухает и стано­вится темно-синим. Некоторые сорта черного углерода воспламеняются в атмосфере кислорода уже при незначительном нагреве. Со фтором черный углерод уже взаимодействует при обычной температуре. При нагреве углерод соединяется со многими элементами: водородом, серой, кремнием, бором и др. В природе наблюдается большое разнообразие соединений углерода с водородом.

При взаимодействии с кислородом углерод образует два простых ок­сида. Продуктом полного сгорания углерода является диоксид С0 2 , при неполном сгорании образуется оксид СО. Теплота образования С0 2 при окислении графита Д# 0 бр=395,2 кДж/моль, а СО Д// 0 бр= 111,5 кДж/ /моль, т. е. значительно ниже. СОг - бесцветный, негорючий газ со сла­бым сладковатым запахом. Он тяжелее воздуха в 1,529 раза, легко сжижается при 20 °С и давлении 5,54 МПа, образуя бесцветную жид­кость. Критическая температура С0 2 31,4 °С, критическое давление 7,151 МПа. При нормальном давлении С0 2 сублимируется при

78,32 °С. СО образуется в процессе сжигания угля при недостаточном притоке воздуха, представляет собой ядовитый газ, не имеющий ни за­паха, ни цвета; он не поддерживает горения, но сам является горючим; в 0,967 раза легче воздуха. При атмосферном давлении СО сжижается при - 191,34°С и затвердевает прн -203,84 °С.

Углерод взаимодействует с серой. При пропускании ее паров над раскаленным древесным углем образуется двусернистый углерод CS 2 (сероуглерод). Низшие сульфиды углерода неустойчивы. Сероуглерод представляет бесцветную жидкость удушливого запаха. Температура кипения CS 2 46,2 "С, затвердевания -110,6°С. Давление пара CS 2 при 293 К равно 0,0385 МПа. Сероуглерод - эндотермическое соедине­ние, при его распаде освобождается около 64,5 кДж/моль. CS 2 взрыво­опасно, однако взрывная реакция широко не распространяется. Из дру­гих соединений углерода с серой следует отметить COS, представляю­щее собой бесцветный газ, не имеющий запаха; COS легко воспламе­няется. Образуется COS при совместном пропускании смеси паров серы и оксида углерода через раскаленную трубку. COS сжижается при ^49,9 "С, а затвердевает при -137,8 °С.

Углерод вступает в реакции с азотом. При прокаливании без досту­па воздуха различных органических продуктов (кожи, шерсти и др) образуются соединения, содержащие одновалентный радикал CN. Про­стейшую кислоту HCN, являющуюся производной циана, называют си­нильной, а ее солн цианидами. Синильная кислота - бесцветная жид­кость, кипящая при 26,66 °С; в большом разведении имеет запах, сход­ный с запахом горького миндаля. Затвердевает HCN при -14,85 °С, чрезвычайно ядовита. Цианиды калия и натрия широко применяются при производстве золота, а также в гальванотехнике благородных ме­таллов.

Имеются соединения углерода с галогенами. Фторид углерода CF 4 - бесцветный газ с температурой кипения -128 "С, температурой плавле­ния -183,44 °С. Получают CF 4 или при непосредственном взаимодейст­вии фтора и углерода или при воздействии AgF на СС1 4 при 300 °С. Четыреххлористый углерод ССЦ- бесцветная, негорючая жидкость со слабым характерным запахом. ССЦ кипит при 76,86 °С и затвердевает при -22,77 "С. При обычной температуре ССЦ химически инертен, не реагирует нн с основаниями, ни с кислотами. ССЦ очень хорошо рас­творяет органические вещества; его часто используют в качестве рас­творителя жиров, масел, смол и др.

Соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием на­зывают карбидами. Карбиды подразделяют на два основных класса: разлагаемые водой и не подвергающиеся действию воды. Карбиды, разлагаемые водой, можно рассматривать как соли ацетилена; в соот­ветствии с этим состав отвечает общим формулам Ме^Сг, Ме"С 2 и Me 2 (С 2)з. Водой или разбавленными кислотами ацетилиды расщепля­ются с образованием ацетилена.

К группе карбидов, устойчивых к действию воды или разбавленных кислот, относятся соединения углерода с переходными металлами, а также SiC . Кристаллическая структура карбидов, за исключением SiC , кубическая, типа NaCl . Такие кабриды иногда называют металлоподоб-ными соединениями, так как они обладают высокой электро- и тепло­проводностью, имеют металлический блеск. Соединение кремния с угле­родом SiC - карборунд. Он обладает очень высокой твердостью, а по своей кристаллической структуре подобен алмазу. Теплота образования SiC Д# 0 бр= 117,43 кДж/моль. К числу карбидов, стойких к воздействию воды и неразбавленных кислот, относятся также В 4 С, Сг 4 С, Сг 3 С 2 и некоторые другие.

Области применения

Наиболее широкое применение углерод получил в металлургической промышленности, прежде всего в доменном производстве, где исполь­зуется его способность восстанавливать железо из руд. Углерод в до­менном производстве применяют в виде кокса, который получают путем нагрева каменного угля без доступа воздуха. Металлургический кокс содержит до 90 % С, 1 % Н, 3 % О, 0,5-1 % N и 5 % золы, т.е. не­сгораемых составных частей. Кокс горит синеватым пламенем без ко­поти, а его теплотворная способность составляет 30-32 МДж/кг. В ка­честве огнеупорного материала для плавильных тиглей, стойкого к быст­рой смене температур, применяют графит. Его также используют для изготовления карандашей, смазки, огнеупорной краски и др.

Графит, обладающий высокой электрической проводимостью, нахо­дит разнообразное применение в электротехнике и гальванопластике (электроды, микрофонные угли, некоторые сорта графита для ламп на­каливания и др.). Он является также одним из конструкционных мате­риалов для ядерных реакторов. Производство графита в нашей стране регламентируется ГОСТ 17022-81, который распространяется на основ­ные виды естественного графита. Согласно этому ГОСТу производится три марки графита смазочного ГС-1 до 3, две марки графита тигельно­го ГТ, две марки графита литейного ГЛ, три марки графита аккумуля­торного ГАК, четыре марки графита электроугольного ГЭУ, три марки графита элементарного ГЭ (служит для производства гальванических элементов), две марки графита карандашного ГК, две марки графита алмазного ГАЛ (для производства алмазов и других изделий, где тре­буются высокие инертность, чистота, электрическая проводимость). Со­держание золы в низших сортах смазочного, электродного и литейного графита 13-18 °/о, а в отдельных случаях до 25 % по массе (например,

В атомной энергетике применяют искусственный графит, способ по-л\ 1сния которого был разработан еще в конце прошлого века.

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии - создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом . Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества - углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород - самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород - самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» - именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов - от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются - а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита - мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей - но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток - хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев - сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам - они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям - электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия - и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит - диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя - вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита - невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует - испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру - происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита - это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии - для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях - именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « ».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его - на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз - приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен - материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии - золотые контакты, над ними находится графен, выше - тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов - они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья - и . Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, - углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену - он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, .

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с .

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена - по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу - карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации - при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен- диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов - их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе - его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник - одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый - кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй - кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C 60 , или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов - фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.

Фуллериты - кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды - кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, - это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K 3 C 60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода - 33 кельвина, Cs 2 RbC 60 . Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp 2 -гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия - только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное - не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ - стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio ) - мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» - sp 1 -гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp 1 -углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов - квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны - ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод - это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв