Железо является основным компонентом сталей и чугунов – важнейших конструкционных материалов.

Железо может быть частью сплавов на основе других металлов – например, никеля.

Магнитный оксид железа (магнетит) является важным материалом для производства долговременных компьютерных запоминающих устройств: жёстких дисков, гибких дисков и т.д.

Ультратонкий магнетитовый порошок используется во многих чёр- но-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Он одновременно использует чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному передающему ролику.

Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитных сердечников трансформаторов и электродвигателей.

Хлорид железа (III) (хлорид железа) используется в практике любительского радио для травления печатных плат.

Полугидратный сульфат железа (железо купорос) в смеси с сульфатом меди используется для борьбы с вредными грибами в садоводстве и строительстве.

Железо используется как анод в железоникелевых батареях, железовоздушных батареях.

Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного хлоридов, а также его сульфаты используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод при водоподготовке промышленных предприятий.

1.8.7. Углерод

Углерод (химический символ – C, Latin Carboneum) является химическим элементом четырнадцатой группы (в соответствии с устаревшей классификацией – основной подгруппой четвёртой группы), вторым периодом периодической системы химических элементов. Номер порядка 6, масса атома 12,0107.

История. Углерод в виде древесного угля использовался в древности для плавки металлов. Аллотропные модификации углерода – алмаза и графита давно известны.

На рубеже XVII–XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Джорджем Шталем. Эта теория признала присутствие в каждом горючем теле специального элементарного вещества – невесомой жидкости – флогистона, которая ускользает во время горения. По-

44

скольку при сжигании большого количества угля существует лишь небольшая зола, флогистика полагала, что уголь почти чистый флогистон. Это объясняет, в частности, эффект «порки» угля – его способность извлекать металлы из «известняка» и руд. Позже флогистики, Реасумер, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь является элементарным веществом. Однако впервые этот «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, который изучал сжигание угля и других веществ в воздухе и кислороде. В книге «Гитон де Морво», «Лавуазье», «Бертоллет» и «Фуррок», «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (карбон) вместо французского «чистого древесного угля» (charbone pur). Под тем же названием углерод появляется в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над кальцинированным мелом, что приводило к образованию фосфата кальция и углерода. Тот факт, что алмаз горит с большим количеством тепла без остатка, известен давно. Ещё в 1751 году немецкий император Франц I согласился дать бриллиант и рубин для сжигания экспериментов, после чего эти эксперименты даже стали модными. Оказалось, что только алмаз горит, а рубин (оксид алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в очаге зажигательной линзы. Лавуазье установил новый опыт в сжигании алмаза с большой зажигательной машиной и пришёл к выводу, что алмаз является кристаллическим углеродом. Второй аллотроп углерода, графит, считался изменённым свинцовым блеском в алхимическом периоде и назывался plumbago. Только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо свинцовой примеси. Scheele изучал графит (1779) и, как флогистику, считал его сернистым телом особого вида, специальным минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (CO2) и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гайтон де Морве, осторожно разогрев, превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Происхождение названия. В начале XIX века термин «древесный уголь» иногда использовался в русской химической литературе (Scherer, 1807, Severgin, 1815); с 1824 г. Соловьев ввёл название «углерод». Углеродные соединения имеют в названии часть карбюратора (он) – от лат. carbō (род n. carbōnis) «уголь».

Физические свойства. Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи различных типов.

45

Изотопы углерода. Основная статья: Изотопы углерода

Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов – 12С (98,93%) и 13С (1,07%) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излуча- тель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также с середины 1950-х годов как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.

Аллотропные модификации углерода. Схемы строения различных модификаций углерода a: алмаз, b: графит, c: лонсдейлит, d: фуллерен –

бакибол C60, e: фуллерен C540, f: фуллерен C70 g: аморфный углерод, h: углеродная нанотрубка.

Кристаллический углерод:

•Алмаз

•Графит

•Карбин

•Лонсдейлит

•Наноалмаз

•Фуллерены

•Фуллерит

•Углеродное волокно

•Углеродные нановолокна

•Углеродные нанотрубки

Аморфный углерод:

•Активированный уголь

•Древесный уголь

•Ископаемый уголь: антрацит и ископаемый уголь

•Кокс каменноугольный, нефтяной и др.

•Стеклоуглерод

•Техуглерод

•Сажа

•Углеродная нанопена

Кластерные формы:

•Астралены

•Диуглерод

•Углеродные наноконусы.

46

Структура. Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную геометрию, в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основные геометрии атома углерода:

•тетраэдрическая;

•тригональная;

•дигональная.

В2010 году сотрудники университета Ноттингема Стивен Лиддл и коллеги получили соединение (мономерный дилитио метандий), в котором четыре связи атома углерода находятся в одной плоскости.

Нахождение в природе. Содержание углерода в земной коре составляет 0,155555555 мас. %. Свободный углерод встречается в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняков и доломитов), ископаемых видов топлива – антрацит

(94…97% C), бурые угли (64…80% C), угли (76…95% C), горючие сланцы

(56…78% C), масло (82…87% C), горючие природные газы (до 99% метана), торф (53 – 56% C), а также битум и т.д. В атмосфере и гидросфере это

ввиде углекислого газа СО2, в воздухе 0,046% СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в 60 раз больше. Углерод является частью растений и животных (~17,5%).

Ворганизме человека углерод поставляется с пищей (обычно около 300 г в день). Общее содержание углерода в организме человека составляет около 21% (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Он выводится из организма главным образом с выдыхаемым воздухом (двуокисью углерода) и мочой (мочевина).

Цикл углерода в природе включает в себя биологический цикл выде-

ления CO2 в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, вулканических газов, горячих минеральных источников, поверхностных слоях океанических вод, а также дыхание, брожение, гниение. Биологический цикл

состоит в том, что углерод в форме СО2 поглощается из тропосферы растениями в процессе фотосинтеза. Затем из биосферы он снова возвращается в геосферу, частично через организмы животных и людей, а в виде СО2 – в атмосферу.

Впарообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод находится в атмосфере Солнца, планеты, он встречается в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и особенно углеводородов, имеют выраженный характер ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С друг с другом, способность образовывать устойчивые цепи и циклы атомов С вызывают существование ог-

47

ромного количества углеродсодержащих соединений, которые изучаются органической химией.

В природе имеется минеральный шунгит, который содержит как твёрдый углерод (≈25%), так и значительное количество оксида кремния

(≈35%).

Химические свойства. При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах со-

ответственно выше 300…501 °C, 600…700 °C и 800…1000 °C.

Степени окисления +4 (напр., CO2), −4 (напр., CH4), редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C2N2); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно

11,2604; 24,383; 47,871 и 64,19 эВ.

Применение. Графит используется в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, чтобы уменьшить её мягкость. Также он используется в качестве смазки при особенно высоких или низких температурах. Его невероятно высокая температура плавления позволяет сделать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток позволяет производить из него высококачественные электроды.

Алмаз благодаря своей исключительной твёрдости является незаменимым абразивным материалом. Алмазное шлифование снабжено шлифовальными приспособлениями свёрл. Кроме того, бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных изделиях. Из-за редкости, высоких декоративных качеств и сочетания исторических обстоятельств алмаз неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/(м К)) делает его перспективным материалом для полупроводниковой технологии в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая стоимость добычи алмазов (97,47 долл. США за карат) и сложность обработки алмазов ограничивают его использование в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерод-производных угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Таким образом, карбобен (активированный уголь) используется для абсорбции и выделения различных токсинов из организма; графит (в виде мазей) – для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода – для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

48