Углерод

У глерод – основа всех органических соединений.

В организме важную роль играют неорганические соединения углерода СО₂, Н₂СО₃, NaНСО₃.

Среди биогенных элементов углерод – один из важнейших, так как жизнь на Земле имеет углеродную основу.

Содержание углерода в земной коре составляет 2,310^–2%, в организме человека его массовая доля составляет 21%.

В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод.

Электронное строение внешнего энергетического уровня –…2s²2p². Характерная валентность II (основное состояние), IV (возбужденное состояние 2s¹2p³). Степени окисления: –4 (СН₄), 0 (СН₂О), +1 (СН₃СОН), +2 (НСООН), +3 (СН₃СООН); +4 (СО₂).

Углерод образовывает одинарные, двойные, тройные связи не только между собой, но и с атомами других элементов-органогенов. При этом молекулы могут иметь линейное, разветвленное и циклическое строение.

Для реакционной способности соединений важное значение имеет поляризуемость связей: чем больше поляризуемость связи, тем выше ее реакционная способность. Поляризуемость углеродсодержащих связей зависит от их природы:

С–С  С–О  С– N C– H  C=O  C=N  C–S  C=S

Увеличение поляризуемости связи

Углерод имеет несколько аллотропных модификаций (табл. 4), но может существовать и в аморфном виде, например, кокс, сажа, древесный уголь.

На рис. 4 представлены типы кристаллических решеток аллотропных форм углерода.

а) б) в)

Рис. 4. Строение кристаллической решетки: а) алмаза; б) графита; в) фуллерена

Таблица 4

Аллотропные модификации углерода

Аллотр. модификация	Строение	Физические свойства
Алмаз	Тип гибридизации АО углерода sp3	Бесцветное, прозрачное, очень твердое вещество. Имеет низкие электро- и теплопроводность
Графит	Тип гибридизации АО углерода sp2. Негибридные р-орбитали образуют делокализованную –связь в слое. Между слоями связь за счет слабых Ван-дер-Ваальсовых сил.	Темно-серое, непрозрачное вещество, с металлическим блеском, обладает электро- и теплопроводностью
Карбин	Тип гибридизации АО углерода sp. Существует в виде цепей: –СС–СС– и =С=С=С=С=	Белое вещество, при нагревании превращающееся в графит
Фуллерен	Атомы углерода образуют молекулы С60, С70 и др. Тип гибридизации АО углерода sp2	Кристаллы фуллерена относятся к молекулярному типу. Фуллерен С60 возгоняется при 800оС

Углерод может быть как окислителем, так и восстановителем в зависимости от свойств второго реагента. При взаимодействии сильных окислителей с органическими веществами может протекать неполное или полное окисление атомов углерода этих соединений.

Неполное анаэробное окисление выражается схемой:

С_nH_mN_pO_d(S)  CO₂ + CO + C + CH₄ + H₂O + NH₃ + (H₂S)

В организме полное аэробное окисление органических соединений кислородом в присутствии ферментов оксидаз описывается уравнением:

С_nH_mN_pO_d(S)  CO₂ + H₂O + NH₃ + CO(NH₂)₂ + (H₂S)

Для соединений углерода характерны реакции внутримолекулярной дисмутации: декарбоксилирование аминокислот, кетокислот, а также перегруппировки и изомеризации органических соединений.

У атома углерода нет неподеленных электронных пар, поэтому лигандами при образовании комплексных соединений могут быть только соединения углерода, содержащие кратные связи с его участием, например, СО, СN^–.