1 Вуглець як хімічний елемент

1.1 Вуглець у природі

Вуглець або карбон належить до поширених елементів земної кори (близько 0,1% маси земної кори). Вільний вуглець знаходиться в природі у вигляді алмазу і графіту. Основна маса вуглецю у вигляді природних карбонатів (вапняки і доломіти), пальних копалин- антрацит (94­­­­­–97 % С), буре вугілля (64–80 % С), кам’яне вугілля (76–95 % С), горючі сланці (56–78 % С), нафта (82–87 % С), горючих природних газів (до 99 % метану), торф (53–56 % С), а також бітуми і ін.

Більше 99% вуглецю в атмосфері знаходиться у вигляді вуглекислого газу. Близько 97 % вуглецю в океанах існує в розчиненій формі, а в літосфері – у вигляді мінералів.

Елементний вуглець присутній в атмосфері в малих кількостях у вигляді графіту і алмазу, а у ґрунті – у формі гумінових кислот. Асиміляція вуглецю в процесі фотосинтезу призводить до утворення відновленого вуглецю, який присутній в біоті, мертвій органічній речовині ґрунту, у верхніх шарах осадових порід у вигляді горючих копалин, і в літосфері – у вигляді розсіяного недоокисненого вуглецю.

В океанах міститься велика кількість розчинених сполук органічного вуглецю, процеси окиснення яких маловідомі. Вуглець є основою всіх органічних речовин. Кожен живий організм складається в значній мірі з вуглецю. Вуглець – основа життя, джерелом вуглеводів для живих організмів є СО2 з атмосфери або води. В основі будови аморфного вуглецю лежить розупорядкована структура монокристалічного графіту. Це кокс, буре та кам’яне вугілля, сажа, активоване вугілля. Рікий вуглець можна отримати під тиском вище 105 атмосфер і температурах вище 3700 °C. Кокс, сажа, деревне вугілля (твердий вуглець) мають таку ж будову, що й графіт. Для твердого вуглецю також характерним є стан з неупорядкованою структурою – так званий "аморфний" вуглець, який не являє собою самостійноїмодифікації . В основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрів деяких різновидів аморфного графіту вище 1500–1600° С без доступу повітря викликає їх перетворення на графіт. Фізичні властивості аморфного вуглецю дуже залежать від дисперсності частинок і наявності домішок. Густина, те- плоємкість, теплопровідність та електропровідність аморфного вуглецю завжди вище, ніж графіту.

Ретельні вимірювання вмісту атмосферного вуглецю було розпочато в 1957 році Кіплінгом в обсерваторії Мауна-Лоа. Регулярні вимірювання вмісту атмосферного вуглецю проводяться також на ряді інших станцій. З аналізу спостережень можна зробити висновок, що річна зміна концентрацій обумовлена в основному сезонними змінами циклу фотосинтезу та деструкції рослин на суші. На цей показник також впливає, хоча і в меншій мірі, річний хід температури поверхні океану, від якого залежить розчинність у морській воді. Третім і, мабуть, найменш важливим фактором є річний хід інтенсивності фотосинтезу в океані. Середній за кожен даний рік вміст вуглецю в атмосфері дещо вище в північній півкулі, оскільки джерела антропогенного надходження розташовані переважно в північній півкулі. Крім того спостерігаються невеликі між річні зміни вмісту, які, мабуть, визначаються особливостями загальної циркуляції атмосфери. За останні 25 років вміст вуглецю в атмосфері постійно зростає.

Маса діоксиду вуглецю в атмосфері оцінюється цифрою 400 млрд. тонн. В процесі вивітрювання та фотосинтезу щороку з атмосфери поглинається більше, ніж 800 млн. тонн СО2. Якщо б не було механізму колообігу, то за кілька тисяч років вуглець повністю зник би з атмосфери, опинився "захованим" в гірських породах. За сучасними оцінками, маса діоксиду вуглецю, "захованого" в гірських породах, приблизно в 500 разів перевищує його запаси в атмосфері.

Головна невизначеність існуючих оцінок вмісту вуглецю обумовлена недостатньою повнотою даних про площі та вміст вуглецю в торф’яниках планети. Більш повільний процес розкладу сполук вуглецю в ґрунтах холодних кліматичних зон призводить до більшої концентрації вуглецю ґрунтів (на одиницю поверхні) в бореальних лісах і трав’янистих зонах середніх широт порівняно з тропічними екосистемами. Проте тільки невелика кількість (декілька відсотків і навіть менше) детриту, який потрапляє щороку в ґрунти залишається в них впродовж тривалого часу. Більша частина мертвої органічної речовини окиснюється за декілька років. В чорноземах близько 98 % вуглецю підстилки характеризується часом обігу близько 5 місяців, а 2 % вуглецю підстилки залишаються в ґрунті в середньому протягом 500–1000 років. Ця характерна риса ґрунтоутворювального процесу проявляється також в тому, що вік ґрунтів в середніх широтах, визначений радіоізотопним методом, складає від кількох сотень до 1000 років і більше. Проте швидкість розкладу органічної речовини при трансформації земель, зайнятих природною рослинністю, в сільськогосподарські угіддя зовсім інша. Наприклад, існує думка, що 50 % вуглецю в ґрунтах, що використовуються в сільському господарстві Північної Америки, могло бути втрачено внаслідок окиснення, тому що експлуатація ґрунтів почалася до початку минулого століття.

Більшість з’єднань вуглецю, і перш за все вуглеводні, володіють яскраво вираженим характером ковалентних з’єднань. Міцність простих, подвійних і потрійних зв’язків атомів C між собою, здатність утворювати стійкі ланцюги і цикли з атомів C обумовлюють існування величезного числа вуглецевих сполук.