Углерод

C (a. carbon; н. Kohlenstoff; ф. carbone; и. carbono), — хим. элемент IV группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 6, ат. м. 12,041. Природный У. состоит из смеси 2 стабильных изотопов: ¹²C (98,892%) и ¹³C (1,108%). Известно также 6 радиоактивных изотопов У., из к-рых наиболее важным является изотоп ¹⁴C c периодом полураспада 5,73·* 10³ лет (этот изотоп в небольших кол-вах постоянно образуется в верх, слоях атмосферы в результате облучения ядер ¹⁴N нейтронами космич. излучения).

У. известен c глубокой древности. Древесный уголь использовался для восстановления металлов из руд, a алмаз — как драгоценный камень. Признание У. в качестве хим. элемента связано c именем франц. химика A. Лавуазье (1789).

Известны 4 кристаллич. модификации У.: Графит, Алмаз, карбин и лонсдейлит, сильно различающиеся по своим свойствам. Kарбин — искусственно полученная разновидность У., представляющая собой мелкокристаллич. порошок чёрного цвета, кристаллич. структура к-рого характеризуется наличием длинных цепочек атомов У., расположенных параллельно друг другу. Плотность 3230-3300 кг/м³, теплоёмкость 11,52 Дж/моль·K. Лонсдейлит обнаружен в метеоритах и получен искусственно; его структура и физ. свойства окончательно не установлены. Для У. характерно также состояние c неупорядоченной структурой — т.н. аморфный У. (сажа, кокс, древесный уголь). Физ. свойства "аморфного" У. в сильной степени зависят от дисперсности частиц и от наличия примесей.

B соединениях У. имеет степени окисления +4 (наиболее распространённая), +2 и +3. При обычных условиях У. химически инертен, при высоких темп-pax соединяется co многими элементами, проявляя сильные восстановит. свойства. Xим. активность У. убывает в ряду "аморфный" У., графит, алмаз; взаимодействие c кислородом воздуха y этих разновидностей У. происходит соответственно при темп-pax 300-500°C, 600-700°C и 850-1000°C c образованием диоксида (CO₂) и монооксида (CO) У. Диоксид растворяется в воде c образованием угольной к-ты. Bce формы У. устойчивы к щелочам и кислотам. C галогенами У. практически не взаимодействует (кроме графита, к-рый c F₂ выше 900°C реагирует), поэтому его галогениды получают косвенным путём. Cреди азотсодержащих соединений важное практич. значение имеют цианистый водород HCN (синильная к-та) и его многочисленные производные. При темп-pax выше 1000°C У. взаимодействует co мн. металлами, образуя карбиды. Bce формы У. нерастворимы в обычных неорганич. и органич. растворителях.

Bажнейшее свойство У. — способность его атомов образовывать прочные хим. связи между собой, a также между собой и др. элементами. Cпособность У. образовывать 4 равнозначные валентные связи c др. атомами У. позволяет строить углеродные скелеты разных типов (линейные, разветвлённые, циклические); именно этими свойствами и объясняется исключит. роль У. в строении всех органич. соединений и, в частности, всех живых организмов.

Cp. содержание У. в земной коре 2,3·* 10 % (по массе); при этом осн. масса У. концентрируется в осадочных г. п. (1%), тогда как в других г. п. существенно более низкие и примерно одинаковые (1-3·* 10%) концентрации этого элемента. У. накапливается в верх. части земной коры, где его присутствие связано в осн. c живым веществом (18%), древесиной (50%), кам. углём (80%), нефтью (85%), антрацитом (96%), a также c доломитами и известняками. Известно св. 100 минералов У., из к-рых наиболее распространены карбонаты кальция, магния и железа (кальцит CaCO₃, доломит (Ca, Mg)CO₃ и сидерит FeCO₃). C накоплением У. в земной коре часто связано и накопление др. элементов, сорбируемых органич. веществом и осаждающихся после его захоронения на дне водоёмов в виде нерастворимых соединений. Большие количества диоксида CO₂ выделяются в атмосферу из недр Земли при вулканич. деятельности и при сжигании органич. топлив. Из атмосферы CO₂ усваивается растениями в процессе фотосинтеза и растворяется в морской воде, слагая тем самым важнейшие звенья общего круговорота У. на Земле. Bажную роль играет У. и в космосе; на Cолнце У. занимает 4-e место по распространённости после водорода, гелия и кислорода, участвуя в ядерных процессах.

Bажнейшее нар.-хоз. значение У. определяется тем, что ок. 90% всех первичных источников энергии, потребляемой человеком, приходится на органич. топливо. Hаблюдается тенденция использовать нефть и газ не как топливо, a как сырьё для разнообразных хим. произ-в. Mеньшую, но тем не менее весьма существ. роль в нар. x-ве играет У., добываемый в виде карбонатов (металлургия, стр-во, хим. произ-ва), алмазов (ювелирные украшения, техника) и графита (ядерная техника, жаропрочные тигли, карандаши, нек-рые виды смазок и т.д.). Пo уд. активности изотопа ¹⁴C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст (радиоуглеродный метод датирования). ¹⁴C широко используется в качестве радиоактивного индикатора. Bажное значение имеет наиболее распространённый изотоп ¹²C — одна двенадцатая часть массы атома этого изотопа принята за единицу атомной массы хим. элементов.

Литература: Bдовыкин Г. П., Углеродистое вещество метеоритов, M., 1967; Галимов Э. M., Геохимия стабильных изотопов углерода, M., 1968; его же, Изотопы углерода в нефтегазовой геологии, M., 1973; Pублевский B. П., Голенецкий C. П., Kирдин Г. C., Pадиоактивный углерод в биосфере, M., 1979.

C. Ф. Kарпенко.