Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре составляет 0,15% (молярная доля). В природе углерод находится в виде стабильных изотопов ¹²С (99,89%) и ¹³С(1,11%) и радиоактивного изотопа ¹⁴С, образующегося в верхних слоях атмосферы при взаимодействии атомов азота с нейтронами космического излучения:

Радиоактивный изотоп ¹⁴С неустойчив и разлагается, превращаясь в азот:

Процесс протекает в организме растений и животных. 1 грамм радиоактивного изотопа ¹⁴С испытывает до 14 радиоактивных распадов. Но если, организм попадает под землю, то он перестает поглощать углерод, число β распадов резко сокращается. По содержанию изотопа ¹⁴С (период полураспада 5715 лет) в растительных и животных остатках определяют их возраст. Получены также радиоактивные изотопы с массовыми числами от 10 до 16.

В природе углерод встречается в виде простых веществ (графит, алмаз, фуллерены), оксидов углерода (IV) и (II), карбонатов CaCO₃ (мрамор), MgCO₃ (магнезит), FeCO₃ (сидерит), ископаемого топлива (каменный и бурый уголь, нефть, газ).

Прим. графит встречается в осадочных силикатных породах (кварц, слюды). Алмазы находятся в кимберлитовых породах древних вулканических трубок (Южная Африка, Якутия, Архангельск). Природные фуллерены обнаружены в Австралии, Новой Зеландии, США и России, карбин найден в метеоритах.

По содержанию в земной коре углерод занимает 17 место, доля углерода в живых организмах выше, чем в среднем в неживой природе. В организме человека массой 70 кг содержится 16 кг углерода, что составляет приблизительно 23%, в древесине содержание углерода составляет 40%.

Физические свойства углерода

Углерод образует несколько аллотропных модификаций: графит, алмаз, карбин, фуллерены.

Из данных модификаций наиболее термодинамически стабильной и распространенной является графит. Графит имеет слоистую структуру. Все атомы углерода находятся в sp² – гибридизации: каждый из них образует три ковалентные -связи с соседними атомами. Валентные углы равны 120 º. В результате возникает плоская сетка, составленная из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода, расстояние между соседними ядрами составляет 142 пм.

В образовании -связей участвуют три электрона каждого атома углерода. Четвертый электрон занимает 2р-орбиталь, не участвующую в гибридизации. Такие негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя и перекрываясь друг с другом образуют делокализованные -связи. Внутри облака, электроны, образующие -связи, могут свободно перемещаться, поэтому графит обладает высокой электрической проводимостью, теплопроводностью, металлическим блеском, серый цвет.

Рассмотренная структура графита обуславливает сильную анизотропию его свойств. Например, теплопроводность графита в направлении плоскости слоев равна 4,0 Дж/см  с  К, а в перпендикулярном направлении составляет 0,79 Дж/см  с  К. Электрическое сопротивление графита в направлении слоев в 10⁴ раз меньше, чем в перпендикулярном направлении.

Соседние слои атомов углерода в графите находятся на расстоянии 334 пм друг от друга и слабо связаны между собой.

Прим. Гексагональные слои графита связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, при этом прочность химических связей в слои (716 кДж/моль) выше, чем между слоями (17 кДж/моль). Поэтому графит легко расслаивается, что позволяет использовать его как твердую смазку и материал для грифелей карандашей.

Графит имеет малую плотность (2,22 г/см³). Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, в том числе и при обычных условиях. Поэтому при расчете термодинамических величин в качестве стандартно состояния углерода принимается графит.

Природный графит встречается редко и находит ограниченное применение. В больших количествах используют искусственный графит, который получают нагреванием угля или нефтяного кокса в электропечи при температуре 2200 – 2800 ºС.

Также различные формы графита получают пиролизом органических соединений (сильное нагревание без доступа воздуха). Содержание примесей в полученном углероде, его структура, механическая прочность и другие свойства будет зависеть от исходного вещества и технологии термической обработки. Продукты пиролиза, которые представляют по составу практически чистый углерод, но полученные в разных условиях, будут сильно отличаться друг от друга – это различные углеграфитовые модификации.

На основе естественного и искусственного графита изготовляют материалы, применяемые в химической промышленности. Благодаря высокой химической стойкости они используются для футеровки, изготовления труб и т.д.

Благодаря электрической проводимости графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Смешанный с маслом графит служит хорошим смазочным средством, так как его чешуйки, заполняя неровни материала, создают гладкую поверхность. Графит применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

К разновидностям графита относят также сажу и древесный уголь. Эти вещества состоят из беспорядочно расположенных частиц графита. Сажа представляет собой чистый «аморфный» углерод. В промышленности ее получают термическим разложением метана, а также сжиганием при недостатке доступа воздуха смолы, скипидара и других богатых углеродом веществ. Сажа применяется в качестве черной краски (тушь, типографская краска), а также в производстве резины. Древесный уголь получают при нагревании дерева без доступа воздуха. Обладает высокой адсорбционной способностью.

Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество, сильно преломляющее лучи света. В атомной кристаллической решетке алмаза каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации, соединен четырьмя ковалентными -связями с соседними атомами, образующими тетраэдр. Валентный угол 109º 28. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 154 пм. Известны кристаллы алмаза, имеющие кубическую и гексагональную решетки. Гексагональный алмаз в природе встречает редко. Кристаллы с кубической решеткой имеют форму октаэдров. Атомная кристаллическая решетка обуславливает высокую температуру плавления (больше 3500 ºС), высокую твердость.

Прим. Изредка находят алмазы, окрашенные примесями в различные цвета, данные алмазы ценятся. Значительная часть природных алмазов темные, они ценятся меньше (используют для технических целей: тонкие фильтры, режущие и буровые инструменты), чем прозрачные ювелирные алмазы. Алмаз – самый дорогой из драгоценных камней. Массу алмаза выражают в каратах, 1 карат соответствует 0,2 г. Стоимость алмаза зависит от размера образца. Самый большой из найденных алмазов весил 600 г (3000 карат, Южная Африка).

Несмотря на твердость алмаза, он хрупок. Получающийся при измельчении алмаза порошок используют для шлифовки драгоценных камней и самих алмазов. Хорошо отшлифованные алмазы называют бриллиантами. По электрическим свойствам алмаз – изолятор.