Углерод названия. Краткое описание химических свойств и плотность углерода. Аллотропные модификации углерода
УГЛЕРОД, С (carboneum), неметаллический химический элемент IVA группы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19%.
Другими важными соединениями углерода являются: дисульфид углерода, хлороформ, четыреххлористый углерод, метан, этилен, ацетилен, бензол, этанол, уксусная кислота и ее производные. С металлами и неметаллами он образует карбиды. Что мы можем сказать о радиоактивных измерениях С14 в атмосфере?
Изучение содержания радиоактивного С14 может быть очень важным источником информации об источниках углекислого газа на Земле. Это могло бы дать возможность определить, как количество этого газа в атмосфере способствует сжиганию угля на электростанциях и других источниках цивилизации.
Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al 4 C 3 , SiC, B 4 C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.
Очень полезная информация о ее происхождении и цикле может дать мера изотопного состава углерода в нем. Помимо двух устойчивых изотопов углерода существует также один радиоактивный изотоп не только в атмосфере Земли. Поэтому он должен постоянно увеличивать свое количество, чтобы он не полностью исчез из атмосферы Земли и биосферы. ¨. Естественное производство двуокиси углерода.
Добавление радиоактивного углерода естественным образом происходит из-за космических лучей, в основном галактического происхождения, попадающих в атмосферу Земли. Его доминирующим компонентом является протоны. При столкновении с воздушными ядрами происходят кластерные реакции. Ядры с высокой энергией начинают из ядра создавать пи-мезоны. Эти новые частицы могут вызывать дальнейшие кластерные реакции с другими сердечниками воздушного сердечника. Таким образом, мы получаем так называемый адронный спрей, который состоит из большого количества протонов, нейтронов и причалов.
В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь). Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном давлении - это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с заостренными кромками.
Фуллерены и углеродные нанотрубки
В кластерных реакциях помимо протонов и нейтронов с высокой энергией также высвобождаются нейтроны с относительно низкой энергией. Для генерации углерода 14 эти нейтроны необходимы. Они могут забирать и заменять протон в стабильном изотопе азота, который является доминирующим компонентом воздуха. Эта реакция является доминирующим производителем радиоактивного изотопа углерода, хотя и не единственным.
Во-первых, мы описываем измерение путем обнаружения излучения, излучаемого радиоактивным углеродом при бета-распаде. Проблема в том, что радиоактивный углерод после бета-распада не сопровождается гамма-излучением, и мы можем обнаружить только электрон, максимальная энергия которого очень низкая, около 156 кэВ. И большинство излучаемых электронов имеют гораздо более низкую энергию. Поэтому эти электроны должны детектироваться детектором с большой эффективностью, предотвращая поглощение электронов в нечувствительных частях детекторов и обеспечивая очень низкий радиоактивный фон.
Историческая справка.
Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название «графит», происходящее от греческого слова, означающего «писать», предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны «черный свинец», «карбидное железо», «серебристый свинец». В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа.
В этом случае нам нужно приготовить около 1-10 граммов углерода в такой форме, чтобы непосредственно входить в чувствительный объем детектора. Поэтому, в частности, используются жидкостные сцинтилляционные детекторы, где электроны ионизируют и возбуждают атомы и молекулы в ткани. Бензол, синтезированный из датируемой формы углерода, позволяет сцинтилляции в этом случае захватываться фотоумножителем. Другим вариантом являются газонаполненные пропорциональные детекторы. Очень важно очень тщательное экранирование детектора извне естественного излучения.
Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.
В этом случае он меньше миллиграмма углерода, всего лишь десятки микрограмм. Во-первых, отрицательные ионы получают из образца с использованием цезия, из которого они выводят электроны. Кроме того, тандемный ускоритель используется для ускорения тяжелых ионов со скоростью, которая составляет несколько процентов скорости света. Этот ускоритель разделен на две половины с положительно заряженным электродом с напряжением в несколько миллионов вольт. К нему притягиваются отрицательные ионы. Когда они достигают этого, он проходит через очень тонкий слой материала, который вытягивает несколько электронов из ионов.
Аллотропия.
Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические модификации - алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 1,а ). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С-С (длина связи 1,54 Å, отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 Å) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).
Отрицательные ионы становятся положительными и отталкиваются от положительного электрода. За ускорителем находится фильтр скорости, который избирает ионы с одинаковой скоростью с помощью электрического и магнитного полей. Дополнительное магнитное поле затем позволяет отделить отдельные ионы по массе, а затем рассчитать ядра отдельных изотопов. Синий уровень на сто процентов примерно соответствует естественному эталонному уровню. Теперь вернемся к радиоактивному углероду в атмосфере. Мы уже упоминали, что внесение ископаемого углерода в атмосферу приводит к уменьшению доли радиоактивного углерода относительно стабильных изотопов.
Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит - мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом·см). Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.
Мы также говорили, что этот процесс называется эффектом Суссе. Это может проявиться локально, если у нас есть измерительные станции вблизи местных источников такого углерода или глобально путем диспергирования этого углерода в атмосфере. Если мы хотим изучить глобальный цикл двуокиси углерода и как природные, так и антропогенные источники, которые подают его в атмосферу, мы можем использовать общее измерение количества двуокиси углерода и соотношения между количеством радиоактивного и стабильного углерода.
Изменение активности радиоактивного углерода ядерными испытаниями. В 1950-х и 1960-х годах в атмосферу было введено большое количество радиоактивных элементов, в том числе 14 С-испытаний ядерных и термоядерных бомб. Затем его деятельность резко снизилась. Радиоактивный углерод быстро переносится из атмосферы и биосферы в другие водоемы, такие как океан. Таким образом, настоящий спад в это время соответствовал периоду полураспада около восьми лет. В 1980-х годах спад начал замедляться.
Структура графита (рис. 1,б ) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Å (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 Å) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита - эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см 3 , алмаза - 3,51 г/см 3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита.
Понятно, что в какой-то момент должен быть баланс между переносом ядерного углерода, образующегося при ядерных взрывах между атмосферой, биосферой и более длинными угольными пластами, а дальнейшее уменьшение ее атмосферного количества будет определяться только периодом полураспада. Поэтому важно отделить эти два разных процесса от изучения путей антропогенного углерода. Это можно сделать, если мы не только измеряем соотношение между изотопами углекислого газа углекислого газа в атмосфере, но и их абсолютное количество.
В случае эффекта Суссеса отношение радиоактивного 14 С в изотопной углеродной смеси уменьшается, но его общее количество в атмосфере остается неизменным, отношение уменьшается с подачей стабильных изотопов. В случае радиоактивного углерода из ядерных испытаний отношение радиоактивного углерода в изотопной смеси также уменьшается. Но в этом случае это может быть дано либо уменьшением его абсолютной величины, либо эффектом Суссе. Поэтому очень полезно измерять как абсолютное количество углерода, так и соотношение между изотопами.
Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода.
При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов.
Сравнение температуры и относительного отклонения ископаемого углерода от эталонного уровня, определяемого значениями, измеренными в Юнгфрауйохе. Выражается в единицах обещания. На этот раз это измерение в менее населенном районе Косетице и недалеко от венгерского Дунафльльвара.
Общие измерения углекислого газа и радиоактивного углерода. Не так много измерительных станций, которые проводят такие совместные измерения. Один из них возглавляют коллеги из отдела радиационной дозиметрии, которые работают с венгерскими коллегами в Дебрецене в этой области. Чешская Республика измеряется на двух станциях. Здесь вы можете хорошо изучить изменения в влиянии местного производства двуокиси углерода на присутствие радиоактивного углерода в окружающей атмосфере. Однако необходимо иметь некоторые эталонные измерения, показывающие эффект не только сезонных изменений в течение года в глобальном масштабе.
Углерод существует в природе в свободном состоянии в виде двух аллотропных видоизменений - алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе.
Алмаз - бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Одна половина атомов углерода в алмазе располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая - в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема.
Такие измерения обеспечивают «чистые» станции вдали от населенных пунктов. Один из них - станция в Юнгфрауйохе. Здесь мы определяем долю радиоактивного углерода в общем количестве углерода в атмосфере. Поэтому, если значения этой величины определены для Буловец и Кошецице для измерений, выполненных в Юнгфрауйохе, мы можем видеть локальное влияние в сильно и слабо индустриализованной области.
Чтобы выразить местное влияние ископаемого углерода, доля местного ископаемого диоксида углерода рассчитывается из измеренной доли радиоактивного углерода в месте измерения и на контрольной станции. Изображения, показывающие значения местного содержания углерода ископаемого углерода, рассчитанные по измерениям, показывают ряд интересных фактов. Сезонные колебания в глобальных углеродных представлениях относительно среднего значения скорректированного его роста от снижения указанного количества радиоактивного углерода от ядерных испытаний в относительных единицах до пяти процентов.
Важнейшие характеристики углерода приведены в таблице ниже:
Таблица 1. Физические свойства и плотность углерода.
Графит представляет собой темно-серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку - плоская сетка, составленная из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода.
Сезонные изменения относительной локальной вариации количества ископаемого углерода в Кошетице составляют до двадцати промилле, а в Буловке - почти пятьдесят на миллион. После сравнения с эталонным уровнем, измеренным в Юнгфрауйохе, влияние местных источников антропогенного углекислого газа наблюдается в Праге и Кошетице. Между температурой и отношением радиоактивного и стабильного углерода в атмосфере наблюдается очень сильная корреляция, главным образом из-за того, что инверсия атмосферы чаще встречается в холодных частях года.
Поэтому зимой в земной атмосфере гораздо больше ископаемого углерода. Сравнение температуры и относительного локального отклонения ископаемого углерода от эталонного уровня, определяемого значениями, измеренными в Юнгфрауйохе. На этот раз это измерение в промышленной зоне Праги. Давайте посмотрим, что данные измерений сообщают нам о поведении радиоактивного углерода из ядерных испытаний. За последнее десятилетие коллеги в Буловце измеряли объемную активность радиоактивного углерода в Буловке и постоянно оказывались постоянными.
Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем - это карбин и поликумулен - разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа -C = C- или = C = C =.
Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.
Это может указывать на то, что цикл радиоактивного углерода из испытаний на оружие уже стабилен и его количество в атмосфере не меняется. Любое изменение отношения радиоактивного углерода к стабильному было бы обусловлено только увеличением количества ископаемого углерода в атмосфере.
Чтобы более точно узнать, как ситуация просматривается в течение более длительного периода времени, следует искать долгосрочные измерения в других лабораториях. С тех пор объемная активность радиоактивного углерода была стабильной в годовом исчислении, хотя концентрации углекислого газа неуклонно возрастали. Если мы примем устойчивое воздушное пространство в тропосфере, то это же верно для всей тропосферы.
Распространенность углерода в природе
Углерод не принадлежит к самым распространенных элементам в природе - из общего числа атомов земной коры на его долю приходится лишь 0,14% (масс.). Тем не менее значение углерода исключительно велико, так как его соединения являются основой всех живых организмов.
Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей живых организмов и продуктов их разрушения (каменный уголь, нефть и т.д.), он входит в состав многих минералов, имеющих большей своей частью формулу MeCO 3 , где Ме - двухвалентный металл. Наиболее распространенным из таких минералов является кальцит (CaCO 3), образующий иногда громадные скопления на отдельных участках земной поверхности. Атмосфера содержит углерод в виде углекислого газа (CO 2), который в растворенном состоянии также находится во всех природных водах.
Краткое описание химических свойств и плотность углерода
В обычных условиях углерод весьма инертен. Напротив, при достаточно высоких температурах он становится химически активным по отношению к большинству металлов и многим металлоидам. «Аморфный» углерод значительно более реакционноспособен, чем обе основные формы этого элемента (алмаз и графит).
При нагревании «аморфного» углерода на воздухе он энергично взаимодействует с кислородом, причем по реакции
C + O 2 = CO 2 + 94 ккал
Образуется двуокись углерода (углекислый газ). Алмаз и графит сгорают лишь в чистом кислороде и при достаточно высоких температурах (100-800 o С).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Рассчитайте относительные плотности по водороду, кислороду и воздуху газа этилена C 2 H 4 . |
| Решение | D O2 (C 2 H 4) = M r (C 2 H 4) / M r (O 2); D O2 (C 2 H 4) = 28 / 32 = 0,875. M r (C 2 H 4) = 2 ×A r (C) + 4 ×A r (H) = 2 × 12 + 4 × 1 = 24 + 4 = 28. M r (O 2) = 2 ×A r (O) = 2 × 16 = 32. D H2 (C 2 H 4) = M r (C 2 H 4) / M r (H 2); D H2 (C 2 H 4) = 28 / 2 = 14. M r (H 2) = 2 ×A r (H) = 2 × 1 = 2. |
| Ответ | Относительные плотности этилена по кислороду и водороду равны 0,875 и 14 соответственно. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Определите относительную плотность по воздуху газа ацетилена C 2 H 2 . |
| Решение | Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (C 2 H 2) = M r (C 2 H 2) / M r (air); D air (C 2 H 2) = 26 / 29 = 0,8965. M r (C 2 H 2) = 2 ×A r (C) + 2 ×A r (H) = 2 × 12 + 2 × 1 = 24 + 2 = 26. |
| Ответ | Относительная плотность по воздуху газа ацетилена равна 0,8965. |