Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросфера и литосфера. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.
Содержание углерода в земной коре 0, 1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94— 97 % С), бурые угли (64— 80 % С), каменные угли (76— 95 % С), горючие сланцы (56— 78 % С), нефть (82— 87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53— 56 % С), а также битумы и др. В атмосфереи гидросфере находится в виде диоксида углерода СО 2, в воздухе 0, 046 % СО 2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).
Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО 2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО 2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде СО 2 — в атмосферу.
В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах. Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией. В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твердый углерод (≈25 %), так и значительные количества оксида кремния (≈35 %).
Аморфный углерод Активированный Древесный уголь Ископаемый уголь: антрацит и др. Кокс каменноугольный, нефтяной и др. Стеклоуглерод Техуглерод Сажа Углеродная нанопена
Алмаз Графен Графит Карбин Лонсдейлит Наноалмаз Фуллерены Фуллерит Углеродное волокно Углеродные нановолокна Углеродные нанотрубки
Графит и алмаз Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 1200 K алмаз начинает переходить в графит, выше 2100 K превращение совершается за секунды. ΔН 0 перехода — 1, 898 к. Дж/моль. При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 780 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графитжидкость-пар Т = 4130 K, р = 10, 7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 3000 K и давлении 11— 12 ГПа. При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15— 20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0, 252 нм, с = 0, 412 нм, пространственная группа Р 63/mmc), плотность 3, 51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.
Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы) В 1980 -е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы» . Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, например смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр. ). Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.
КАРБИН Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2, 68— 3, 30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl 4 в низкотемпературной плазме.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1, 9 -2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60 -х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР[4]. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.
Фуллерены и углеродные нанотрубки Углерод известен также в виде кластерных частиц С 60, С 70, C 80, C 90, C 100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.
Аморфный углерод (строение) В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.
Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.
Скачать презентацию Среди множества химических элементов без которых невозможно
Углерод в природе.pptx