 |
сделать стартовой |  |
в избранное |
 |
||||||||||
|
| №26октябрь 2008Элемент |
| Рождающий уголь |
| epps.ru / Архив номеров / №26 октябрь 2008 / Рождающий уголь |
| Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции соединений именно этого элемента. Он является структурной единицей огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Углерод не принадлежит к самым распространенным в природе элементам — из общего числа атомов земной коры на его долю приходится лишь 0,14?%. Несмотря на это, значение углерода исключительно велико, так как его соединения являются основой всех живых организмо. Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей живых организмов и продуктов их разрушения (каменный уголь, нефть и т.?д.), он входит в состав многих минералов. Атмосфера содержит углерод в виде углекислого газа (СО2), который в растворенном состоянии находится также во всех природных водах. Свободный углерод встречается в виде двух простых веществ — алмаза и графита. С некоторой натяжкой (ввиду наличия примесей) к этим двум формам можно прибавить и третью — так называемый аморфный углерод, важнейшими представителями которого являются сажа и древесный уголь. По внешним свойствам алмаз резко отличается от обеих других модификаций. Он бесцветен, прозрачен, имеет плотность 3,5 и является самым твердым из всех минералов. Графит же представляет собой серую, непрозрачную и жирную на ощупь массу с плотностью 2,2. Название элемента, принятое во всем мире, происходит от латинского слова carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда, видимо, «уголь» и берет свое название. Органика — химия углерода Вплоть до первой четверти XIX века все вещества делили на неорганические и органические, судя по их происхождению. Считалось, что органические соединения могут образовываться лишь в живых организмах при активном участии некой жизненной силы, о которой толком никто не знал. Ее считали первоосновой жизни, началом всех начал. Все сходились в одном: физическая природа жизненной силы непознаваема. В 1828 году немецкий врач Фридрих Велер, упаривая растворы цианата серебра и нашатыря, получил мочевину — известное еще с 1773 года органическое соединение. Это открытие настолько ошеломило ученого, что вначале он и сам с недоверием отнесся к нему. В течение четырех лет Ф. Велер проводил контрольные опыты и лишь после этого решился сообщить о них своему учителю Якобу Берцелиусу. «Должен Вам сказать, — писал немецкий химик, — что я могу делать мочевину, не нуждаясь при этом в почках и вообще в животном, будь то человек или собака...» Знаменитый ученый посчитал сообщение Велера неприкрытой дерзостью и даже не удостоил его ответом. Виталисты (последователи теории «жизненной силы») были уверены, мочевина есть отброс организма, а вот действительно жизненно важные соединения в лаборатории никогда не получить. Но очень скоро стало ясно, что эти доводы ошибочны. Химики синтезировали уксусную кислоту, жиры, сахаристые вещества. Теорию «жизненной силы» совершенно справедливо отправили на свалку истории. Ф. Велер оказался прав, когда говорил, что органические соединения — это химия углерода. Свойства Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми не обладает ни один другой 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 другими 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. Где углерод, там сложности и самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простые цепочки, как в бутане СН3—CH2—СН2—СН3 или полиэтилене — СН2—СН2—CH2—CH2 –, и разветвленные структуры; кольца с чисто углеродным скелетом (циклопропан, циклогексан, бензол) и те же кольца с «подвесками» (толуол, анилин); кольца, в которые вклинились посторонние атомы — гетероциклические соединения, например, тиофен C4H4S, и конгломераты всевозможных колец (самый простой — нафталин, состоящий из двух бензольных колец). И это только простейшие структуры органической химии. Ученые подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366?319 различных углеводородов, 366?319 веществ состава C20H42. Однако существует группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Это фуллерены. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 году Х. Крото и Р. Смолли, а в 1992 их обнаружили в породах докембрийского периода. Сейчас их интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь восстановить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен-60 (C60) (его называют иногда бакминстер-фуллерен), в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C70 и C84. Фуллерен С60 получают испарением графита в атмосфере гелия. При этом образуется мелкодисперсный, похожий на сажу порошок, содержащий 10?% углерода; при растворении в бензоле порошок дает раствор красного цвета, из которого и выращивают кристаллы С60. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, как бы состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству, C60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами. Применение Углерод — не металл, и, тем не менее, это один из важнейших для металлургии элементов. Именно благодаря ему совершенно непригодное в качестве конструкционного материала мягкое, слабое железо становится чугуном или сталью. В последние десятилетия получили распространение так называемые графитизированные стали, в структуре которых есть свободные микрокристаллы графита. В основном эти стали идут на производство инструмента, коленчатых валов, штампов и поршней, потому что им свойственна большая, чем у иных нелегированных сталей, прочность и твердость. Как восстановитель углерод применяют не только в производстве чугуна, но и многих цветных металлов. Практически в роли восстановителя выступает кокс, в котором углерода 97—98?%. А вот древесный уголь — первый, видимо, восстановитель в черной металлургии — в цветной металлургии нашего времени выступает в ином качестве. Из него делают так называемый покровный слой, предохраняющий расплавленный металл от окисления. Не обходится без углерода и производство алюминия — металл нарастает на графитовом катоде. А в доменном процессе обычно участвует не только элементарный углерод (в виде кокса), но и одно из соединений элемента №?6. Обыкновенные плотные известняки применяют в качестве флюсов при выплавке чугуна из железных руд, содержащих в качестве пустой породы кремнезем и глинозем. Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Алмаз, благодаря исключительной твердости, — незаменимый абразивный материал. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты — используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, алмаз неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2?000 Вт/м•К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области. В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь) применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ). Марина Зенченко. |
|
| © 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири» Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru © Создание сайта - студия GolDesign.Ru |