Углерод

Углерод

Углерод

Углерод - химический элемент с символом C(от латинского "carbo" - уголь) и атомным номером 6. Он неметалл и четырехвалентен, что делает четыре электрона доступными для образования ковалентных химических связей. Он принадлежит к группе 14 периодической таблицы. Углерод составляет лишь около 0,025 процента земной коры. Три изотопа встречаются в природе, 12C и 13C стабильны, а 14C - радионуклид, с периодом полураспада около 5730 лет.

Положение углерода в ПСЭ

Положение углерода в ПСЭ

Углерод - один из немногих элементов, известных с древности. Углерод является пятнадцатым по распространенности элементом в земной коре и четвертым по содержанию элементом во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Обилие углерода, его уникальное разнообразие органических соединений и его необычная способность образовывать полимеры при температурах, обычно встречающихся на Земле, позволяют этому элементу служить общим элементом всей известной жизни. Это второй по распространенности элемент в организме человека по массе (около 18,5%) после кислорода.

Определить точную дату открытия углерода невозможно. Однако, установить, когда он был признан простым веществом, нетрудно. Для этого достаточно обратиться к "Таблице простых тел" Антуана Лавуазье, опубликованной в 1789 году. В ней углерод фигурирует как простое вещество. Но путь, который прошел углерод прежде чем занять это место в таблице, измеряется не годами и даже не веками, а тысячелетиями. Человек познакомился с углеродом раньше, чем научился добывать огонь, встречаясь со сгоревшими от удара молнии лесами. Когда же человек овладел искусством добывания огня, углерод стал его постоянным спутником.
Углерод сыграл важную роль в развитии теории флогистона.

Теория флогистона - это вытесненная научная теория, которая постулировала существование подобного огню элемента под названием флогистон, содержащегося в горючих телах и высвобождаемого при сгорании. Название происходит от древнегреческого phlogistón (сгорание), от phlóx (пламя). Идея была впервые предложена в 1667 году Иоганном Иоахимом Бехером, а затем более формально сформулирована Георгом Эрнстом Шталем. Теория флогистона пыталась объяснить химические процессы увеличения веса, такие как горение и ржавление, теперь все вместе известные как окисление, и от нее отказались в конце 18 века после экспериментов Антуана Лавуазье и других. Теория флогистона привела к экспериментам, которые в конечном итоге завершились открытием кислорода.

Эта теория даже помогла на некоторое время укрепиться мнению, что углерод не есть простое вещество. Основатели теории флогистона принимали уголь за чистый флогистон. Первым, кто показал, что углерод есть простое вещество, был Антуан Лавуазье, который исследовал процесс сжигания угля и других веществ. Здесь мы немного отвлечемся от рассказа о том, как углерод стал самим собой, и вот почему.

Дело в том, что в природе углерод встречается в виде двух аллотропных модификаций - алмаза и графита, причем обе были известны человеку с давних пор. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно также давно. Тем не менее, алмаз и графит считали двумя совершенно разными веществами. Событием, которое помогло установить, что алмаз и графит есть видоизменения одного и того же вещества, было открытие углекислого газа.

Антуан Лавуазье провел опыты по сжиганию алмаза и древесного угля и установил, что при сгорании оба вещества дают углекислый газ. Это дало ученому основание считать, что алмаз и уголь имеют одно и то же "начало". В 1787 году в книге "Метод химической номенклатуры" появляется название карбонеум(углерод).

В 1797 году Смитсон Теннант обнаружил, что при сгорании одинаковых количество алмаза и графита выделяется одно и то же количество углекислого газа, а в 1799 году Луи Гитон де Морво подтвердил, что углерод является единственной составляющей алмаза, графита и кокса.
Через 20 лет после этого ему же удалось перевести алмаз в графит, а затем в углекислый газ путем осторожного нагревания. Но обратный перевод графита в алмаз оказался не под силу науке 18 и 19 веков. Лишь в 1955 году группе английских ученых удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Синтез проводили при давлении свыше 109 Па и температуре 3000 С.

Фуллерен

Фуллерен - это уникальный аллотроп углерода, молекула которого состоит из атомов углерода, соединенных одинарными и двойными связями с образованием замкнутой или частично замкнутой сетки с конденсированными кольцами из пяти-семи атомов.
Фуллерены были предсказаны в течение некоторого времени, но только после их случайного синтеза в 1985 году они были обнаружены в природе и в космосе. Открытие фуллеренов значительно расширило число известных аллотропов углерода, которые ранее ограничивались графитом, алмазом и аморфным углеродом, таким как сажа и древесный уголь.

Структурная формула фуллерена

Структурная формула фуллерена

Фуллерены с топологией закрытой сетки неформально обозначаются их эмпирической формулой Cn, часто обозначаемой как Cn, где n - количество атомов углерода. Однако при некоторых значениях n может быть более одного изомера. Закрытые фуллерены, особенно C60, также неофициально называют бакиболами из-за их сходства со стандартным мячом в футболе.

Эйдзи Осава предсказал существование C60 в 1970 году. Он заметил, что структура молекулы кораннулена представляет собой подмножество формы футбольного мяча, и предположил, что полная форма мяча также может существовать.
В 1985 году Гарольд Крото из Университета Сассекса, работая с Джеймсом Хитом, Шоном О'Брайеном, Робертом Керлом и Ричардом Смолли из Университета Райса(Нобелевская премия, 1996), обнаружил фуллерены в остатках сажи, образовавшихся в результате испарения углерода в атмосфере гелия. В масс-спектре продукта появились дискретные пики, соответствующие молекулам с массой 60, 70, или более атомов углерода, а именно C60 и С70. Команда определила их структуру как уже знакомые «бакиболлы». Название «бакминстерфуллерен» было в конечном итоге выбрано для C60 первооткрывателями как дань уважения дань уважения американскому архитектору Бакминстеру Фуллеру за смутное сходство структуры с геодезическими куполами, которые он популяризировал
. Окончание «ен» было выбрано, чтобы указать, что атомы углерода не насыщены и связаны только с тремя другими атомами вместо обычных четырех. Сокращенное название «фуллерен» со временем стало применяться ко всей семье.

Графен

Графен представляет собой аллотроп углерода, который состоит из одного слоя атомов, расположенных в двумерной решетке, состоящей из медовых сот. Каждый атом в листе графена связан со своими тремя ближайшими соседями σ-связью и вносит один электрон в зону проводимости, которая простирается по всему листу.

Это тот же тип связи, который наблюдается в углеродных нанотрубках и полициклических ароматических углеводородах, а также (частично) в фуллеренах и стеклоуглероде. Эти зоны проводимости делают графен полуметаллом с необычными электронными свойствами, которые лучше всего описываются теориями безмассовых релятивистских частиц.

Графен представляет гексагональную решетку, состоящую из атомов углерода

Графен представляет собой гексагональную решетку, состоящую из атомов углерода

Графен очень эффективно проводит тепло и электричество вдоль своей плоскости. Материал сильно поглощает свет всех видимых длин волн, что объясняет черный цвет графита; тем не менее, один лист графена почти прозрачен из-за своей чрезвычайной толщины. Этот материал также примерно в 100 раз прочнее, чем самая прочная сталь такой же толщины.

Ученые предположили потенциальное существование и производство графена на протяжении десятилетий. Скорее всего, в течение столетий он производился в небольших количествах с помощью карандашей и других подобных применений графита. Первоначально он был обнаружен в электронных микроскопах в 1962 году, но изучался только при нанесении на металлические поверхности.

Позднее этот материал был повторно открыт, изолирован и охарактеризован в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета(Нобелевская премия, 2010). Оказалось, что высококачественный графен на удивление легко выделить. В 2012 году мировой рынок графена составил 9 миллионов долларов, при этом большая часть спроса была связана с исследованиями и разработками в области полупроводников, электроники, электрических батарей и композитов.


Используемая литература:
1) Д.Н.Трифонов, В.Д.Трифонов - Как были открыты химические элементы.
2) Wikipedia.org.


Последние записи блога:


Станьте первым!



pangenes.ru © 2021
Яндекс.Метрика