Читать книгу Увлекательная таблица Менделеева - Игорь Семенов - Страница 9

Существует ряд чистых форм этого элемента, включая графит, алмаз, фуллерены и графен.

Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество и самый твердый из известных материалов. Графит черный и блестящий, но мягкий. Наноформы, фуллерены и графен, выглядят как черные или темно-коричневые порошки, похожие на сажу.

Углерод уникален среди элементов своей способностью образовывать прочно связанные цепочки, изолированные атомами водорода. Эти углеводороды, добываемые естественным путем в виде ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа), в основном используются в качестве топлива. Небольшая, но важная фракция используется в качестве сырья для нефтехимической промышленности, производящей полимеры, волокна, краски, растворители, пластмассы и т. д.

Загрязненный углерод в виде древесного угля (из древесины) и кокса (из угля) используется при выплавке металлов. Это особенно важно в черной металлургии.

Графит используется в карандашах, для изготовления кисточек в электродвигателях и в облицовке печей. Активированный уголь используется для очистки и фильтрации. Его можно найти в респираторах и кухонных вытяжках.

Углеродное волокно находит множество применений как очень прочный, но легкий материал. В настоящее время оно используется в теннисных ракетках, лыжах, удочках, ракетах и самолетах.

Промышленные алмазы используются для резки горных пород и бурения. Алмазные пленки используются для защиты поверхностей, таких как лезвия для бритья.

Недавнее открытие углеродных нанотрубок, других фуллеренов и атом-тонких листов графена произвело революцию в разработке оборудования в электронной промышленности и в нанотехнологиях в целом.

150 лет назад естественная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляла 280 частей на миллион. В 2013 году в результате сжигания ископаемого топлива с кислородом она составляла 390 частей на миллион. Атмосферный углекислый газ пропускает видимый свет, но предотвращает утечку некоторого количества инфракрасного излучения (естественный парниковый эффект). Благодаря этому на Земле остается достаточно тепла для поддержания жизни. Однако усиливается парниковый эффект из-за вызванного человеком повышения содержания углекислого газа в атмосфере. Это влияет на живые организмы по мере изменения нашего климата.

Углерод необходим для жизни. Это потому, что он способен образовывать огромное разнообразие цепочек разной длины. Когда-то считалось, что молекулы жизни на основе углерода могут быть получены только из живых организмов. Считалось, что они содержат «искру жизни». Однако в 1828 году из неорганических реагентов была синтезирована мочевина, и разделы органической и неорганической химии были объединены.

Живые существа получают почти весь свой углерод из углекислого газа либо из атмосферы, либо растворенного в воде. Фотосинтез зеленых растений и фотосинтезирующий планктон использует энергию солнца для расщепления воды на кислород и водород. Кислород выделяется в атмосферу, пресную воду и моря, а водород соединяется с углекислым газом с образованием углеводов.

Некоторые углеводы используются, наряду с азотом, фосфором и другими элементами, для образования других мономерных молекул жизни. К ним относятся основания и сахара для РНК и ДНК, а также аминокислоты для белков.

Живые существа, которые не осуществляют фотосинтез, вынуждены полагаться на потребление других живых существ в качестве источника молекул углерода. Их пищеварительная система расщепляет углеводы на мономеры, которые они могут использовать для построения собственных клеточных структур. Дыхание обеспечивает энергию, необходимую для этих реакций. При дыхании кислород присоединяется к углеводам, снова образуя углекислый газ и воду. Энергия, выделяющаяся в ходе этой реакции, становится доступной для клеток.

Углерод содержится на солнце и других звездах, образовался из обломков предыдущей сверхновой. Он образуется в результате ядерного синтеза в более крупных звездах.

Он присутствует в атмосферах многих планет, обычно в виде углекислого газа. На Земле концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время составляет 390 частей на миллион и продолжает расти.

Графит встречается в природе во многих местах. Алмаз встречается в виде микроскопических кристаллов в некоторых метеоритах. Природные алмазы содержатся в минерале кимберлите, источники которого находятся в России, Ботсване, ДР Конго, Канаде и Южной Африке.

В сочетании углерод содержится во всех живых организмах. Он также содержится в окаменелых останках в виде углеводородов (природный газ, сырая нефть, горючие сланцы, уголь) и карбонатов (мел, известняк, доломит).

Углерод встречается в природе в виде антрацита (разновидности угля), графита и алмаза. Исторически более доступными были сажа или древесный уголь. В конечном итоге эти различные материалы были признаны формами одного и того же элемента. Неудивительно, что алмаз представлял наибольшую трудность для идентификации. Натуралист Джузеппе Аверан и медик Сиприано Тарджиони из Флоренции были первыми, кто обнаружил, что алмазы могут разрушаться при нагревании. В 1694 году они сфокусировали солнечный свет на алмазе с помощью большого увеличительного стекла, и драгоценный камень в конечном итоге исчез. Пьер-Жозеф Макер и Годфруа де Виллетанез повторили эксперимент в 1771 году. Затем, в 1796 году, английский химик Смитсон Теннант наконец доказал, что алмаз – это всего лишь форма углерода, показав, что при горении образуется только CO2.