Углерод

УглеродУГЛЕРОД, С, химический элемент IV группы периодической системы, атомный вес 12,00, порядковый номер 6. До последнего времени углерод считался не имеющим изотопов; лишь недавно удалось с помощью особо чувствительных методов обнаружить существование изотопа С13. Углерод - один из важнейших элементов по распространенности, по многочисленности и разнообразию его соединений, по биологическому значению (как органоген), по обширности технического использования самого углерода и его соединений (как сырья и как источника энергии для промышленных и бытовых нужд) и наконец по своей роли в развитии химической науки. Углерод в свободном состоянии обнаруживает ярко выраженное явление аллотропии, известное уже более полутора веков, но до сих пор не вполне изученное как по причине чрезвычайной трудности получения углерода в химически чистом виде, так и потому, что большинство констант аллотропных модификаций углерода сильно меняется в зависимости от морфологических особенностей их структуры, обусловленных способом и условиями получения.

Углерод образует две кристаллические формы - алмаз и графит и кроме того известен в аморфном состоянии в виде т. н. аморфного угля. Индивидуальность последнего в результате недавних исследований оспаривалась: уголь отождествляли с графитом, рассматривая тот и другой как морфологические разновидности одной формы - «черного углерода», а разницу в их свойствах объясняли физической структурой и степенью дисперсности вещества. Однако в самое последнее время получены факты, подтверждающие существование угля как особой аллотропной формы (см. ниже).

Природные источники и запасы углерода. По распространенности в природе углерод занимает среди элементов 10-е место, составляя 0,013% атмосферы, 0,0025% гидросферы и около 0,35% всей массы земной коры. Большая часть углерода находится в форме кислородных соединений: в атмосферном воздухе содержится ~800 млрд. тонн углерода в виде двуокиси СО2; в воде океанов и морей - до 50000 млрд. тонн углерода в виде СО2, иона угольной кислоты и бикарбонатов; в горных породах - нерастворимые карбонаты (кальция, магния и других металлов), причем на долю одного СаСО3 приходится ~160·106 млрд. тонн углерода. Эти колоссальные запасы не представляют, однако, энергетической ценности; гораздо более ценными являются горючие углеродистые материалы - ископаемые угли, торф, затем нефть, углеводородные газы и другие природные битумы. Запас этих веществ в земной коре также довольно значителен: общая масса углерода в ископаемых углях достигает ~6000 млрд. тонн, в нефти ~10 млрд. тонн и т. д. В свободном состоянии углерод встречается довольно редко (алмаз и часть вещества графитов). Ископаемые угли почти или вовсе не содержат свободного углерода: они состоят гл. обр. из высокомолекулярных (полициклических) и весьма устойчивых соединений углерода с другими элементами (Н, О, N, S) еще очень мало изученных. Углеродистые соединения живой природы (биосферы земного шара), синтезируемые в растительных и животных клетках, отличаются чрезвычайным разнообразием свойств и количеств состава; наиболее распространенные в растительном мире вещества - клетчатка и лигнин - играют роль и в качестве энергетических ресурсов. Углерод сохраняет постоянство распределения в природе благодаря непрерывному круговороту, цикл которого слагается из синтеза сложных органических веществ в растительных и животных клетках и из обратной дезагрегации этих веществ при их окислительном распаде (горение, гниение, дыхание), приводящем к образованию СО2, которая вновь используется растениями для синтеза. Общая схема этого круговорота м. б. представлена в следующем виде:

Общая схема круговорота углерода

Получение углерода. Углеродистые соединения растительного и животного происхождения неустойчивы при высоких температурах и, будучи подвергнуты нагреванию не ниже 150—400°С без доступа воздуха, разлагаются, выделяя воду и летучие соединения углерода и оставляя твердый нелетучий остаток, богатый углеродом и обычно называемый углем. Этот пиролитический процесс носит название обугливания, или сухой перегонки, и широко применяется в технике. Высокотемпературный пиролиз ископаемых углей, нефти и торфа (при температуре 450—1150°С) приводит к выделению углерода в графитообразной форме (кокс, ретортный уголь). Чем выше температура обугливания исходных материалов, тем получаемый уголь или кокс ближе по составу к свободному углероду, а по свойствам - к графиту.

Аморфный же уголь, образующийся при температуре ниже 800°С, не м. б. рассматриваем как свободный углерод, ибо содержит значительные количества химически связанных других элементов, гл. обр. водорода и кислорода. Из технических продуктов к аморфному углю наиболее близки по свойствам активированный уголь и сажа. Наиболее чистый уголь м. б. получен обугливанием чистого сахара или пиперонала, специальной обработкой газовой сажи и т. п. Искусственный графит, полученный электротермическим путем, по составу представляет собою почти чистый углерод. Природный графит всегда бывает загрязнен минеральными примесями и кроме того содержит некоторое количество связанных водорода (Н) и кислорода (О); в относительно чистом состоянии он м. б. получен лишь после ряда специальных обработок: механического обогащения, промывки, обработки окислителями и прокаливания при высокой температуре до полного удаления летучих веществ. В технологии углерода никогда не имеют дела с совершенно чистым углеродом; это относится не только к натуральному углеродному сырью, но и к продуктам его обогащения, облагораживания и термического разложения (пиролиза). Ниже приведено содержание углерода в некоторых углеродистых материалах (в %):

Содержание углерода в некоторых углеродистых материалах

Физические свойства углерода. Свободный углерод практически совершенно неплавок, нелетуч и при обыкновенной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Он растворяется только в некоторых расплавленных металлах, особенно при температуре, приближающихся к температуре кипения последних: в железе (до 5%), серебре (до 6%)| рутении (до 4%), кобальте, никеле, золоте и платине. При отсутствии кислорода углерод является наиболее жароупорным материалом; жидкое состояние для чистого углерода неизвестно, а превращение его в пар начинается лишь при температуре выше 3000°С. Поэтому определение свойств углерода производилось исключительно для твердого агрегатного состояния. Из модификаций углерода алмаз обладает наиболее постоянными физическими свойствами; свойства графита в различных его образцах (даже наиболее чистых) значительно варьируют; еще более непостоянны свойства аморфного угля. Важнейшие физические константы различных модификаций углерода сопоставлены в таблице.

Важнейшие физические константы различных модификаций углерода

 Алмаз - типичный диэлектрик, в то время как графит и уголь обладают металлической электропроводностью. По абсолютной величине проводимость их меняется в очень широких пределах, но для углей она всегда ниже, чем для графитов; у графитов же приближается к проводимости настоящих металлов. Теплоемкость всех модификаций углерода при температуре >1000°С стремится к постоянному значению 0,47. При температуре ниже —180°С теплоемкость алмаза становится исчезающе малой и при —27°С она практически делается равной нулю.

Химические свойства углерода. При нагревании выше 1000°С как алмаз, так и уголь постепенно превращаются в графит, который поэтому следует рассматривать как наиболее устойчивую (в условиях высоких температур) монотропную форму углерода. Превращение аморфного угля в графит начинается по-видимому около 800°С и заканчивается при 1100°С (в этой последней точке уголь теряет свою адсорбционную активность и способность к реактивации, а электропроводность его резко возрастает, оставаясь в дальнейшем почти постоянной). Для свободного углерода характерна инертность при обычных температурах и значительная активность - при высоких. Наиболее активен в химическом отношении аморфный уголь, в то время как алмаз обладает наибольшей резистентностью. Так, например, фтор реагирует с углем при температуре 15°С, с графитом же лишь при 500°С, а с алмазом при 700°С. При нагревании на воздухе пористый уголь начинает окисляться ниже 100°С, графит около 650°С, алмаз же выше 800°С. При температуре 300°С и выше уголь соединяется с серой в сероуглерод CS2. При температуре выше 1800°С углерод (уголь) начинает взаимодействовать с азотом, образуя (в незначительных количествах) дициан C2N2. Взаимодействие углерода с водородом начинается при 1200°С, причем в интервале температур 1200—1500°С образуется только метан СН4; выше 1500°С - смесь метана, этилена (С2Н4) и ацетилена (С2Н2); при температуре порядка 3000°С получается почти исключительно ацетилен. При температуре электрической дуги углерод вступает в прямое соединение с металлами, кремнием и бором, образуя соответствующие карбиды. Прямыми или косвенными путями м. б. получены соединения углерода со всеми известными элементами, кроме газов нулевой группы. Углерод - элемент неметаллического характера, проявляющий некоторые признаки амфотерности. Атом углерода имеет диаметр 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10-8 см) и содержит во внешней сфере 4 валентных электрона, которые с равной легкостью отдаются либо дополняются до 8; поэтому нормальная валентность углерода как кислородная, так и водородная равна четырем. В подавляющем большинстве своих соединений углерод четырехвалентен; лишь в незначительном числе известны соединения двухвалентного углерода (окись углерода и ее ацетали, изонитрилы, гремучая кислота и ее соли) и трехвалентного (т. н. «свободный радикал»).

С кислородом углерод образует два нормальных окисла: двуокись углерода СО2 кислотного характера и нейтральную окись углерода СО. Кроме того существует ряд недокисей углерода, содержащих более 1 атома С, не имеющих технического значения; из них наиболее известна недокись состава С3О2 (газ с температурой кипения +7°С и температурой плавления -111°С). Первым продуктом горения углерода и его соединений является СО2, образующаяся по уравнению:

С+О2 = СО2         +97600 cal.

Образование СО при неполном сгорании топлива есть результат вторичного восстановительного процесса; восстановителем в этом случае служит сам углерод, который при температуре выше 450°С реагирует с СО2 по уравнению:

СО2+С = 2СО      -38800 cal;

реакция эта обратима; выше 950°С превращение СО2 в СО делается практически полным, что и осуществляется в газогенераторных печах. Энергичная восстановительная способность углерода при высоких температурах используется также при получении водяного газа (Н2О+С = СО+Н2 -28380 cal) и в металлургических процессах - для получения свободного металла из его окисла. К действию некоторых окислителей аллотропные формы углерода относятся различно: например, смесь KCIO3 + HNO3 на алмаз совершенно не действует, аморфный уголь окисляется ею сполна в СО2, графит же дает соединения ароматического ряда - графитовые кислоты с эмпирической формулой (С2ОН)х и далее меллитовую кислоту С6(СООН)6. Соединения углерода с водородом – углеводороды - крайне многочисленны; от них генетически производится большинство остальных органических соединений, в которые кроме углерода входят чаще всего Н, О, N, S и галоиды.

Исключительное многообразие органических соединений, которых известно до 2 млн., обусловлено некоторыми особенностями углерода как элемента. 1) Для углерода характерна прочность химической связи с большинством остальных элементов как металлического, так и неметаллического характера, благодаря чему он образует достаточно устойчивые соединения и с теми и с другими. Вступая в сочетание с другими элементами, углерод весьма мало склонен к образованию ионов. Большая часть органических соединений - гомеополярного типа и в обычных условиях не диссоциирует; разрыв внутримолекулярных связей в них нередко требует затраты значительного количества энергии. При суждении о прочности связей следует однако различать; а) прочность связи абсолютную, измеряемую термохимическим путем, и б) способность связи разрываться под действием различных реагентов; эти две характеристики далеко не всегда совпадают. 2) Атомы углерода с исключительной легкостью связываются друг с другом (неполярно), образуя углеродные цепи, открытые или замкнутые. Длина таких цепей по-видимому не подвержена никаким ограничениям; так, известны вполне устойчивые молекулы с открытыми цепями из 64 атомов углерода. Удлинение и усложнение открытых цепей не отражается на прочности связи их звеньев между собою или с другими элементами. Среди замкнутых цепей наиболее легко образуются 6- и 5-членные кольца, хотя известны кольчатые цепи, содержащие от 3 до 18 углеродных атомов. Способность атомов углерода к взаимному соединению хорошо объясняет особые свойства графита и механизм процессов обугливания; она делает понятным и тот факт, что углерод неизвестен в форме двухатомных молекул С2, чего можно было бы ожидать по аналогии с другими легкими неметаллическими элементами (в парообразной форме углерод состоит из одноатомных молекул). 3) Благодаря неполярному характеру связей очень многие соединения углерода обладают химической инертностью не только внешней (медленность реагирования), но и внутренней (затрудненность внутримолекулярных перегруппировок). Наличие больших «пассивных сопротивлений» сильно затрудняет самопроизвольное превращение неустойчивых форм в устойчивые, часто сводя скорость такого превращения к нулю. Результатом этого является возможность реализации большого числа изомерных форм, практически одинаково устойчивых при обыкновенной температуре.

Аллотропия и атомная структура углерода. Рентгенографический анализ дал возможность с достоверностью установить атомную структуру алмаза и графита. Этот же метод исследования пролил свет и на вопрос о существовании третьей аллотропной модификации углерода, являющийся по сути дела вопросом об аморфности или кристалличности угля: если уголь - аморфное образование, то он не м. б. отождествлен ни с графитом, ни с алмазом, а должен рассматриваться как особая форма углерода, как индивидуальное простое вещество. В алмазе атомы углерода размещены т. о., что каждый атом лежит в центре тетраэдра, вершинами которого являются 4 смежных атома; каждый из последних в свою очередь является центром другого такого же тетраэдра; расстояния между смежными атомами равны 1,54 Ᾰ (ребро элементарного куба кристаллической решетки равно 3,55 Ᾰ). Такая структура является наиболее компактной; ей соответствуют высокая твердость, плотность и химическая инертность алмаза (равномерное распределение валентных сил). Взаимная связь атомов углерода в решетке алмаза такая же, как и в молекулах большинства органических соединений жирного ряда (тетраэдрическая модель углерода). В кристаллах графита атомы углерода расположены плотными слоями, отстоящими один от другого на 3,35—3,41 Ᾰ; направление этих слоев совпадает с плоскостями спайности и плоскостями скольжения при механических деформациях. В плоскости каждого слоя атомы образуют сетку с шестиугольными ячейками (роты); сторона такого шестиугольника равна 1,42—1,45 Ᾰ. В смежных слоях шестиугольники не лежат один под другим: совпадение их по вертикали повторяется лишь через 2 слоя в третьем. Три связи каждого атома углерода лежат в одной плоскости, образуя углы в 120°; 4-я связь направлена попеременно в ту или другую сторону от плоскости к атомам соседних слоев. Расстояния между атомами в слое строго постоянны, расстояние же между отдельными слоями м. б. изменено внешними воздействиями: так, при прессовании под давлением до 5000 atm оно уменьшается до 2,9 Ᾰ, а при набухании графита в концентрированной HNO3 - увеличивается до 8 Ᾰ. В плоскости одного слоя атомы углерода связаны гомеополярно (как в углеводородных цепях), связи же между атомами смежных слоев имеют скорее металлический характер; это видно из того, что электропроводность кристаллов графита в направлении, перпендикулярном к слоям, в ~100 раз превышает проводимость по направлению слоя. Т. о. графит обладает свойствами металла в одном направлении и свойствами неметалла - в другом. Расположение атомов углерода в каждом слое решетки графита совершенно такое же, как в молекулах сложноядерных ароматических соединений. Такая конфигурация хорошо объясняет резкую анизотропность графита, исключительно развитую спайность, антифрикционные свойства и образование ароматических соединений при его окислении. Аморфная модификация черного углерода, по-видимому, существует как самостоятельная форма (О. Руфф). Для нее наиболее вероятным является пенообразное ячеистое строение, лишенное всякой правильности; стенки таких ячеек образованы слоями активных атомов углерода толщиною примерно в 3 атома. На практике активная субстанция угля залегает обычно под оболочкой из тесно расположенных неактивных атомов углерода, ориентированных графитообразно, и пронизана включениями очень мелких графитовых кристаллитов. Определенной точки превращения уголь→графит вероятно не имеется: между обеими модификациями осуществляется непрерывный переход, на протяжении которого происходит перестроение беспорядочно скученной массы С-атомов аморфного угля в правильную кристаллическую решетку графита. В силу своего беспорядочного расположения атомы углерода в аморфном угле проявляют максимум остаточного сродства, что (согласно представлениям Лангмюира о тождественности адсорбционных сил с силами валентными) соответствует столь характерной для угля высокой адсорбционной и каталитической активности. Атомы углерода, ориентированные в кристаллическую решетку, затрачивают на взаимное сцепление все свое сродство (в алмазе) или большую часть его (в графите); этому соответствует понижение химической активности и активности адсорбционной. У алмаза адсорбция возможна лишь на поверхности монокристалла, у графита же остаточная валентность может проявляться на обеих поверхностях каждой плоской решетки (в «щелях» между слоями атомов), что и подтверждается фактом способности графита к набуханию в жидкостях (HNO3) и механизмом его окисления в графитовую кислоту.

Техническое значение углерода. Что касается б. или м. свободного углерода, получаемого при процессах обугливания и коксования, то его применение в технике основывается как на химических (инертность, восстановительная способность), так и на физических его свойствах (жаростойкость, электропроводность, адсорбционная способность). Так, кокс и древесный уголь, помимо частичной прямой утилизации их в качестве беспламенного топлива, используются для получения газообразного горючего (генераторных газов); в металлургии черных и цветных металлов - для восстановления металлических окислов (Fe, Сu, Zn, Ni, Сг, Мn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); в химической технологии - как восстановитель при получении сульфидов (Na, Са, Ва) из сульфатов, безводных хлористых солей (Mg, Аl), из окисей металлов, при производстве растворимого стекла и фосфора - как сырье для получения карбида кальция, карборунда и других карбидов сероуглерода и т. д.; в строительном деле - как термоизолирующий материал. Ретортный уголь и кокс служат материалом для электродов электрических печей, электролитических ванн и гальванических элементов, для изготовления дуговых углей, реостатов, коллекторных щеток, плавильных тиглей и т. п., а также в качестве насадки в химической аппаратуре башенного типа. Древесный уголь кроме указанных выше применений идет для получения концентрированной окиси углерода, цианистых солей, для цементации стали, широко используется как адсорбент, как катализатор для некоторых синтетических реакций, наконец входит в состав дымного пороха и других взрывчатых и пиротехнических составов.

Аналитическое определение углерода. Качественно углерод определяется обугливанием пробы вещества без доступа воздуха (что пригодно далеко не для всех веществ) или, что гораздо надежнее, исчерпывающим окислением его, например, прокаливанием в смеси с окисью меди, причем образование СО2 доказывается обычными реакциями. Для количественного определения углерода навеска вещества подвергается сожжению в атмосфере кислорода; образующаяся СО2 улавливается раствором щелочи и определяется весовым или объемным путем по обычным методам количественного анализа. Этот способ годен для определения углерода не только в органических соединениях и технических углях, но также и в металлах.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 23 - 1934 г.

Избранное

Еще по теме: