Реферат: Словарь нумизмата
<span SkazkaForSerge",«serif»;letter-spacing: 4.0pt">УГЛЕРОД.
У
глерод (лат. Carboneum), С — химический элемент IV группыпериодической системы Менделеева. Известны два стабильных изотопа 12С(98,892 %) и 13С (1,108 %).
Углерод известен сглубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд,алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применяться графитдля изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, каки при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический составалмаза был установлен в результате опытов А.Лавуазье(1772) по изучения горения алмаза на воздухе и исследований С.Теннанта (1797), доказавшего, чтоодинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количествауглекислого газа. Углерод как химический элемент был признан только в 1789 А.Лавуазье. Латинское название сarboneumуглерод получил от сarbo— уголь.
Распространение в природе:
Среднее содержание углерода в земной коре 2,3*10-2%по массе (1*10 –2в ультраосновных, 1*10–2 в основных, 2*10–2 в средних, 3*10 –2 в кислых горныхпородах). Углерода накапливается вверхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18 % углерода, вдревесине 50 %, в каменном угле 80 %, в нефти 85 %, антраците 96 %. Значит часть углерода литосферы сосредоточена визвестняках и доломитах.
Число собственных минераловуглерода — 112; исключительно велико число органических соединений углерода — углеводородов и их производных.
С накоплением углерода вземной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемыхорганическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д.
По сравнению со среднимсодержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествахизвлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти ископаемые —основные источники энергии.
Углерод широко распространёнтакже в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия икислорода.
Физические и химические свойства:
Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз,карбин и лонсдейлит. Графит — серо-черная,непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическимблеском. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2,или 1кгс/см2) графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твердое, кристаллическоевещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решетку: а=3,560<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Á
. При комнатной температуреи нормальном давлении алмаз метастабилен. Заметное превращение алмаза в графитнаблюдается при температурах выше 1400<span Arial",«sans-serif»;mso-ascii-font-family: «Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Arial">°С в вакууме или в инертнойатмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">°С графит возгоняется. Жидкийуглерод может быть получен при давлении выше 10,5 Мн/м2 (1051 кгс/см2)и температурах выше 3700<span Arial",«sans-serif»;mso-ascii-font-family:«Times New Roman»; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Arial">°С. Для твердого углерода (кокс, сажа,древесный уголь) характерно также состояние с неупорядоченной структурой“аморфный” углерод, который не представляет собой самостоятельной модификации;в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагреваниенекоторых разновидностей “аморфного” углерода выше 1500-1600<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">°С без доступа воздухавызывает их превращение в графит. Физические свойства “аморфный” углерода оченьсильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность,теплоемкость, теплопроводность и электропроводность “аморфный” углерода всегдавыше, чем графита. Карбин полученискусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета(плотность 1,9 — 2 г/см3). Построен из длинныхцепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; егоструктура и свойства окончательно не установлены.Конфигурация внешнейоболочки атома углерода 2s22p2. Для углерода характернообразование четырех ковалентных связей, обусловленное возбуждение внешней электроннойоболочки до состояния 2sp3. Поэтому углерод способен вравной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связьможет осуществляться за счет sp3-,sp2 — и sp — гибридных орбиталей,которым соответствуют координационные числа 4,3 и 2. Число валентных электроновуглерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивостисвязи между атомами углерода.
Уникальная способность атомов углерода соединятьсямежду собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела квозникновению громадного числа разнообразных соединений углерода, изучаемыхорганической химией.
В соединениях углеродпроявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Á
, ковалентные радиусы 0,77<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Á, 0,67<span Arial",«sans-serif»;mso-ascii-font-family: «Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Arial">Á, 0,60<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Áсоответственно в одинарной,двойной и тройной связях; ионной радиус С4- 2,60<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Á, С4+ 0,20<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">Á. При обычных условияхуглерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многимиэлементами, проявляя сильные восстановительные свойства.Все формы углерода устойчивык щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями(хромовая смесь, смесь концентриров. HNO3и KCIO3и др.). “Аморфный” углеродреагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании.Непосредственно соединение углерода схлором происходит в электрической дуге; с бромом и йодом углерод не реагирует,поэтому многочисленные углеродагалогениды синтезируют косвенным путем. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х — галоген)наиболее известнаяхлорокись COCI2(фосген).
При температурах выше 1000<span Arial",«sans-serif»; mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Arial">°
С углерод взаимодействует сомногими металлами, давая карбиды. Все формы углерода принагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn,Cd,Cu,Pb идр.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WC, TaC и др.). Углерод реагирует при температурах выше 600 — 800<span Arial",«sans-serif»;mso-ascii-font-family:«Times New Roman»;mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Arial">°Сс водяным паром и углекислым газом.Все формы углероданерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, норастворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение:
Углерод определяется тем, что свыше 90 % всехпервичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которогосохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядернойэнергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырьядля основного органического синтеза инефтехимического синтеза, дляполучения пластичных масс и др.
Углерод в организме:
Углерод — важнейший биогенный элемент, составляющийоснову жизни на Земле, структурная единица огромного числа органическихсоединений, участвующих в построении организмов и обеспечении ихжизнедеятельности (биополимеры, атакже многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества — витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмамэнергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни наЗемле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюцииуглеродистых соединений.
Уникальная роль углерода вживой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладаетни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а такжемежду углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи,которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологическихусловиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способностьуглерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами. Углеродсоздает возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — С,О, Н — составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигаетсяопределенная экономичность в живой природе: при практически безграничномструктурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типовхимических связей позволяет на много сократить количество ферментов,необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенностистроения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерииоказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторыхалкалоидов).
Согласно гипотезе А. И. Опарина,первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение.Источниками углерода служили (СН4)и цианистый водород (HCN), содержавшиесяв первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источникомнеорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое веществобиосферы, является углерода двуокись (СО2), находящийсяв атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3.Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2)- фотосинтез — осуществляетсяповсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно болеедревний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы — хемосинтетикииспользуют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганическихсоединений. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовыхорганических соединений. В зависимости от способа усвоения органическихсоединений принято различать автотрофныеорганизмы и гетеротрофные организмы. Применениедля биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующихв качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, — одна из важных современных научно — технических проблем.
<div v:shape="_x0000_s1026">
<img src="/cache/referats/898/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Помимостабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С(в организме человека его содержится около 0,1мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических имедицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обменавеществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной меткибыла доказана возможность фиксации Н14СО3 растениями итканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изученобмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активныхсоединений и т. д. Применение 14С способствовало успехаммолекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачинаследственной информации. Определение удельной активности 14С вуглеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, чтоиспользуется в палеонтологии и археологии.