Углерод

В зависимости от числа δ – связей координационное число углерода равно 4, 3 или 2.

Характер гибридизации	Пространственное расположение δ-связей	Примеры соединений
sp3 sp2 sp	тетраэдрическое треугольное линейное	алмаз, CH4, CHal4 графит, C6H6, CO32 карбин, CO2, CS2

В атоме углерода в отличие от всех других элементов число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Это одна из основных причин большой устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей. Наблюдается резкое уменьшение энергии связей от углерода к азоту, что объясняют отталкиванием несвязывающих электронных пар атомов азота. Гомоцепные молекулы, содержащие связь С-С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые, циклические.

Углерод – элемент с шестым порядковым номером, относится к IV главной подгруппе во втором периоде периодической системы. Углерод занимает 17-е место по распространенности в земной коре – 0,048% (по другим данным 0,35 или 0,012%). Но несмотря на это, углерод играет огромную роль в живой и неживой природе. Биосфера состоит из живых организмов, основанных на органических веществах, т.е. производных углерода. Из продуктов разложения органических веществ образовались каменные угли, торф, нефть, природные газы. Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита, карбина, угля и других аморфных состояниях.

Основные минералы содержащие углерод, карбонаты металлов степени окисления +2: магнезит-MgCO₃, кальцит (известняк, мел, мрамор)-CaCO₃, доломит-CaCO_3 MgCO₃, сидерит-FeCO₃, малахит – (CuOH)₂CO₃ и др.Природный углерод состоит из смеси двух стабильных изотопов –¹²C - 98,892% и ¹³C - 1,108%, а также следов радиоактивного изотопа ¹⁴С, испускающего b-частицы, с периодом полураспада 5730± 40 лет. Этот изотоп постоянно образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа ¹⁴N под действием нейтронов космического излучения.

Простые вещества

Простые вещества элемента углерода имеют полимерное строение. В соответствии с характерными гибридными состояниями орбиталей атомы углерода могут объединяться в полимерные образования координационной sp³, слоистой sp² и линейной sp структуры. Этому соответствуют 3 типа простых веществ: алмаз, графит и карбин.

Алмаз – бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок. Кристаллы алмаза имеют координационную структуру, в которой атомы углерода связаны друг с другом направленными sp³-гибридными связями. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура алмаза отличается от ГЦК-структуры меди тем, что углеродные атомы располагаются не только на гранях куба, но и в центрах малых кубов, так называемых октанов, чередующихся с пустыми малыми кубами.

Каждый атом углерода имеет четыре ближайших атома, расстояние между которыми 0,1545 нм. По отношению к любому атому углерода четыре ближайших соседних атома расположены в вершинах правильного тетраэдра. Поэтому структуру алмаза представляют в виде комбинации тетраэдров, у которых в центре находиться пятый атом углерода. Каждая вершина тетраэдра является общей для четырех смежных тетраэдров. Непрерывная трехмерная сетка ковалентных связей, которая характеризуется большой прочностью, определяет многие свойства алмаза, так то плохая тепло- и электропроводимость, а также химическая инертность. На разрыв связи С–С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 ) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).

Графит – устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо-черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные следы на бумаге.

Графит имеет гексагональную структуру. Атомы углерода в графите находятся в sp²-гибридном состоянии и расположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждый атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него в виде правильного треугольника на расстоянии 0,412 нм. Расстояние между ближайшими атомами соседних слоев равно 0,340 нм. Поэтому графит характеризуется меньшей плотность и твердостью. Из-за делокализованных p_p-p-связей в пределах шестиугольников возникает склонность к металлизации, что объясняет хорошую тепло- и электропроводность графита, а также его металлический блеск. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.

Карбин был получен в начале 60-х годов В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным, Ю.П. Кудрявцевым окислительной конденсацией ацетилена. Карбин имеет кристаллическую структуру, в которой атомы углерода соединены чередующимися одинарными и тройными связями. В этом случае он имеет вид черного мелкокристаллического порошка. Однако он может существовать в виде белого вещества с промежуточной плотность, в нем атомы углерода соединены двойными связями по 0,1284 нм. Каждый том углерода в карбине находиться в состоянии sp-гибридизации и образует по две s_sp-sp- и p_p-p-связи. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость резко увеличивается. За счет существования различных типов связи и разных способов укладки цепей из углеродных атомов в кристаллической решетке, физические свойства карбина могут менятся в широких пределах. Позднее карбин был найден в природе в виде вкраплений в природном графите, содержащемся в минерале чаоит, а также в метеоритном веществе.

В 1985 году американские химики Ричард Смолли, Роберт Керл и британский химик Гарольд Крото открыли новый класс неорганических соединений углерода – фуллерены. Фуллерены – класс химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, число атомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников.

Молекула наиболее устойчивого фуллерена C₆₀ или футболена, имеет форму футбольного мяча, причем каждый атом углерода занимает позицию в вершине усеченного икосаэдра. А С₇₀ имеет форму мяча для регби. Позднее обнаружены в саже, образуются при горении свечи, сжигании графитовых электродов в коптящем пламени при горении бензола C₆H₆ в кислороде в присутствии аргона и т. п., а также в образцах из древних геологических отложений.

Структуры этих соединений довольно устойчивы, выдерживают сильные нагревания. Фуллерены способны захватывать в полые сферы атомы других элементов, не образуя с ним химических связей, например футболен способен захватить атом гелия. Названы в честь американского архитектора и инженера Р. Б. Фуллера, разработавшего дизайн строительных конструкций аналогичной формы.

Уголь, кокс, сажа являются аморфными модификациями углерода, в некоторых случаях измельченным графитом. Все модификации углерода растворяются в расплавленных металлах.