УГЛЕРО́Д

УГЛЕРО́Д (лат. Сarboneum), C, хи­мич. эле­мент IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы (14-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 6, ат. м. 12,0107. При­род­ный У. со­сто­ит из двух ста­биль­ных изо­то­пов: ¹²C (98,89%) и ¹³C (1,11%). В ат­мо­сфе­ре при­сут­ст­ву­ет ра­дио­изо­топ ¹⁴C (T_1/2 5730 лет, β-из­лу­ча­тель), ко­то­рый об­ра­зу­ет­ся в верх­них сло­ях ат­мо­сфе­ры при об­лу­че­нии ядер ¹⁴N ней­тро­на­ми кос­мич. из­лу­че­ния. По со­дер­жа­нию изо­то­па ¹⁴С в рас­тит. и жи­вот­ных ос­тат­ках оп­ре­де­ля­ют их воз­раст (ра­дио­уг­ле­род­ный ме­тод да­ти­ро­ва­ния). Ис­кус­ствен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 8–22.

Историческая справка

У. в ви­де дре­вес­но­го уг­ля при­ме­нял­ся в глу­бо­кой древ­но­сти для вы­плав­ки ме­тал­лов. Из­дав­на из­вест­ны ал­маз и гра­фит. Эле­мен­тар­ная при­ро­да У. ус­та­нов­ле­на во 2-й пол. 18 в.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние У. в зем­ной ко­ре 0,48% по мас­се. В при­ро­де встре­ча­ет­ся в ви­де про­стых (ал­маз, гра­фит, фул­ле­ре­ны) и слож­ных ве­ществ – кар­бо­на­тов при­род­ных, го­рю­чих ис­ко­пае­мых (уголь, нефть, газ и др.), а так­же вхо­дит в со­став рас­те­ний и жи­вот­ных (ок. 17,5%). В ви­де со­еди­не­ний с азо­том и во­до­ро­дом У. об­на­ру­жен в ат­мо­сфе­ре Солн­ца, пла­нет, най­ден в ка­мен­ных и же­лез­ных ме­тео­ри­тах. У. – важ­ней­ший био­ген­ный эле­мент. Кру­го­обо­рот У. (см. Кру­го­во­рот ве­ществ) в при­ро­де вклю­ча­ет вы­де­ле­ние CO₂ в ат­мо­сфе­ру при окис­ле­нии ор­га­нич. ве­ществ и воз­вра­ще­ние его в ре­зуль­та­те фо­то­син­те­за рас­те­ния­ми. С рас­те­ния­ми У. по­па­да­ет в ор­га­низм жи­вот­ных и че­ло­ве­ка, а за­тем при гние­нии жи­вот­ных и рас­тит. ма­те­риа­лов – в поч­ву и в ви­де CO₂ – в ат­мо­сфе­ру.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек ато­ма У. в осн. со­стоя­нии 2s²2p². Сход­ст­во 2s- и 2p- атом­ных ор­би­та­лей по энер­гии и сим­мет­рии обес­пе­чи­ва­ет их взаи­мо­дей­ст­вие (гиб­ри­ди­за­цию) и об­ра­зо­ва­ние ли­ней­ных sp-, тре­уголь­ных sp²- и тет­ра­эд­ри­чес­ких sp³-гиб­рид­ных ор­би­та­лей. Бли­зость энер­гии этих со­стоя­ний, проч­ность про­стых, двой­ных и трой­ных свя­зей ато­мов У. ме­ж­ду со­бой обу­слов­ли­ва­ют мно­го­об­ра­зие струк­тур из ато­мов У., их спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать ус­той­чи­вые це­пи и цик­лы и су­ще­ст­во­ва­ние ог­ром­но­го чис­ла уг­ле­род­со­дер­жа­щих со­еди­не­ний, изу­чае­мых ор­га­ни­че­ской хи­ми­ей.

Сте­пе­ни окис­ле­ния +4, –4, ред­ко +2 (уг­ле­ро­да ок­сид), +3 (ци­ан); энер­гии ио­ни­за­ции при по­сле­до­ват. пе­ре­хо­де от C⁰ к C⁴⁺ 1086,5, 2352,6, 4620,5, 6222,7 кДж/моль; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 2,55; атом­ный ра­ди­ус 77 пм. Се­че­ние за­хва­та те­п­ло­вых ней­тро­нов 3,5·10^–31 м².

Об­ра­зу­ет неск. кри­стал­лич. ал­ло­троп­ных мо­ди­фи­ка­ций: гра­фит, ал­маз, кар­бин, лон­сдей­лит, фул­ле­ре­ны, гра­фен, уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки, а так­же неск. аморф­ных форм. Тер­мо­ди­на­ми­че­ски наи­бо­лее ста­би­лен гра­фит – мяг­кое чёр­ное ве­ще­ст­во со слои­стой гек­са­го­наль­ной струк­ту­рой. Ка­ж­дый слой по­стро­ен из шес­ти­член­ных ко­лец, в ко­то­рых три элек­тро­на ато­ма С об­ра­зу­ют три sp²-гиб­рид­ные σ -свя­зи в плос­ко­сти слоя. Взаи­мо­дей­ст­вие этих элек­тро­нов соз­да­ёт проч­ную сис­те­му де­ло­ка­ли­зо­ван­ных π -свя­зей. Чет­вёр­тый элек­трон ато­ма С на­хо­дит­ся на ор­би­та­ли, пер­пен­ди­ку­ляр­ной к слою. Проч­ность хи­мич. свя­зей в слое (716 кДж/моль) го­раз­до вы­ше, чем ме­ж­ду слоя­ми (17 кДж/моль). Та­кая сис­те­ма свя­зей объ­яс­ня­ет воз­мож­ность пре­вра­ще­ния гра­фи­та в др. по­ли­морф­ные фор­мы У. Из­вест­ны гек­са­го­наль­ная α -фор­ма (t_пл ок. 4100 К при 9 кБар; плот­ность 2266 кг/м³ при 20 °C) и ром­бо­эд­рич. β-фор­ма гра­фи­та. Слои­стое строе­ние гра­фи­та оп­ре­де­ля­ет ани­зо­тро­пию его свойств (напр., вдоль слоя элек­тро­про­вод­ность в 5000 раз боль­ше, чем в по­пе­реч­ном на­прав­ле­нии), а так­же хо­ро­шие ан­ти­фрик­ци­он­ные свой­ст­ва. Удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние вдоль плос­ко­сти сло­ёв по­ряд­ка 10^–4 Ом·см.

Ал­маз – бес­цвет­ное про­зрач­ное кри­стал­лич. ве­ще­ст­во. В его ку­бич. струк­ту­ре ка­ж­дый атом У. тет­ра­эд­ри­че­ски ок­ру­жён че­тырь­мя рав­но­уда­лён­ны­ми со­сед­ни­ми ато­ма­ми У. Бла­го­да­ря сим­мет­рич­но­му рас­пре­де­ле­нию элек­трон­ной плот­но­сти, струк­ту­ра ал­ма­за от­ли­ча­ет­ся чрез­вы­чай­ной ус­той­чи­во­стью; t_пл 4100 К (125 кБар), плот­ность 3510 кг/м³ (20 °C). Из-за разл. строе­ния гра­фит и ал­маз от­ли­ча­ют­ся по свой­ст­вам. По твёр­до­сти гра­фит от­но­сит­ся к са­мым мяг­ким ве­ще­ст­вам, ал­маз – эта­лон макс. твёр­до­сти (10 бал­лов по Мо­оса шка­ле). Ал­маз – ди­элек­трик (удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 10¹⁴–10¹⁶ Ом·см), гра­фит име­ет вы­со­кую элек­тро­про­вод­ность. При дав­ле­ни­ях до 100 кБар и темп-рах 1200–2800 К гра­фит пре­вра­ща­ет­ся в ал­маз. Этот про­цесс ус­ко­ря­ет­ся в при­сут­ст­вии рас­плав­лен­ных ме­тал­лов (Cr, Fe, Ni) и не­ме­тал­лов (крас­ный фос­фор).

Лон­сдей­лит – кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ция ал­ма­за с гек­са­го­наль­ной струк­ту­рой, плот­ность 3510 кг/м³. Об­ра­зу­ет­ся из α-гра­фи­та ста­тич. сжа­ти­ем при на­гре­ва­нии до 1000 °С; най­ден в ме­тео­ри­тах.

Фул­ле­ре­ны пред­став­ля­ют со­бой се­рию по­ли­эд­рич. кла­стер­ных мо­ле­кул С_n (n – чёт­ное), в ко­то­рых ато­мы У. объ­е­ди­не­ны в пя­ти- и шес­ти­уголь­ни­ки. Фул­ле­ре­ны об­на­ру­же­ны в про­дук­тах кон­ден­са­ции па­ров, об­ра­зую­щих­ся при про­хо­ж­де­нии элек­трич. ду­ги ме­ж­ду гра­фи­то­вы­ми элек­тро­да­ми при 3500 °С и низ­ком дав­ле­нии в ат­мо­сфе­ре ге­лия.

Кар­бин – мел­ко­кри­стал­лич. по­ро­шок чёр­но­го цве­та. Ато­мы У. объ­е­ди­ня­ют­ся в ли­ней­ные це­поч­ки за счёт sp-гиб­рид­ных свя­зей. Из­вест­но неск. форм кар­би­на, от­ли­чаю­щих­ся чис­лом ато­мов в эле­мен­тар­ной ячей­ке и плот­но­стью (2680–3300 кг/м³). Об­ла­да­ет по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми свой­ст­ва­ми (под воз­дей­ст­ви­ем све­та про­во­ди­мость силь­но уве­ли­чи­ва­ет­ся). Кар­бин хи­ми­че­ски инер­тен, взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­до­ро­дом. При вы­со­ких темп-рах и дав­ле­ни­ях пре­вра­ща­ет­ся в ал­маз.

Гра­фен – дву­мер­ная ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция У. (её мож­но пред­ста­вить как од­ну плос­кость гра­фи­та, от­де­лён­ную от объ­ём­но­го кри­стал­ла). По оцен­кам, об­ла­да­ет боль­ши­ми ме­ха­нич. жё­ст­ко­стью (1 ТПа) и те­п­ло­про­вод­но­стью (5·10³ Вт·м^–1·К^–1). Вы­со­кая под­виж­ность но­си­те­лей за­ря­да (макс. под­виж­ность элек­тро­нов сре­ди всех из­вест­ных ма­те­риа­лов) де­ла­ет гра­фен пер­спек­тив­ным ма­те­риа­лом для ис­поль­зо­ва­ния в на­но­элек­тро­ни­ке. Для при­го­тов­ле­ния гра­фе­на ис­поль­зу­ют ме­ха­нич. рас­ще­п­ле­ние кри­стал­лов гра­фи­та. Плён­ки гра­фе­на син­те­зи­ру­ют га­зо­фаз­ным оса­ж­де­ни­ем па­ров уг­ле­ро­да на мед­ную фоль­гу (CVD-гра­фен). При ком­нат­ной темп-ре бла­го­да­ря силь­ным ко­ва­лент­ным свя­зям гра­фен инер­тен по от­но­ше­нию к ки­сло­там и ще­ло­чам. Про­то­ни­ро­ва­ни­ем в плаз­ме га­зо­во­го раз­ря­да син­те­зи­ру­ют гид­риды гра­фе­на, с по­мо­щью ди­фто­ри­да ксе­но­на – фто­ро­гра­фен.

Уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки пред­став­ля­ют со­бой од­ну или неск. свёр­ну­тых в труб­ку гек­са­го­наль­ных гра­фи­то­вых плос­ко­стей. Раз­ли­ча­ют от­кры­тые и за­кры­тые на­нот­руб­ки, ко­то­рые с од­но­го или обо­их кон­цов за­кры­ты по­лу­сфе­рой, на­по­ми­наю­щей по­ло­ви­ну мо­ле­ку­лы фул­ле­ре­на. Име­ют вы­со­кую элек­тро­про­вод­ность и проч­ность (напр., мо­дуль Юн­га на­но­труб­ки дос­ти­га­ет ве­ли­чин в неск. ТПа). По­ми­мо на­нот­ру­бок из­вест­ны лу­ко­вич­ные струк­ту­ры, со­стоя­щие из не­сколь­ких кон­цен­трич. сфер, ор­га­ни­зо­ван­ных по­доб­но мо­ле­ку­ле фул­ле­ре­на.

В аморф­ных фор­мах У. (уг­ле, са­же, стек­ло­уг­ле­ро­де) при­сут­ст­ву­ют ато­мы У. в разл. гиб­рид­ных со­стоя­ни­ях. Стек­ло­уг­ле­род – ту­го­плав­кий ма­те­ри­ал с вы­со­ки­ми ме­ха­нич. проч­но­стью, элек­тро­про­вод­но­стью, ус­той­чи­во­стью к аг­рес­сив­ным сре­дам (ки­сло­там, окис­ли­те­лям, рас­плав­лен­ным ще­ло­чам, со­лям).

При обыч­ных темп-рах У. хи­ми­че­ски инер­тен, при вы­со­ких – со­еди­ня­ет­ся со мн. эле­мен­та­ми, про­яв­ля­ет силь­ные вос­ста­но­вит. свой­ст­ва. Хи­мич. ак­тив­ность раз­ных форм У. убы­ва­ет в ря­ду: аморф­ный У., гра­фит, ал­маз. На воз­ду­хе они вос­пла­ме­ня­ют­ся при темп-рах со­от­вет­ст­вен­но вы­ше 300–500 °C, 600–700 °C и 850–1000 °C и сго­ра­ют с об­ра­зо­ва­ни­ем уг­ле­ро­да ок­си­да и уг­ле­ро­да ди­ок­си­да. По­ми­мо СO₂ и СО, У. об­ра­зу­ет не­ус­той­чи­вые С₃O₂ и С₅O₂. С во­до­ро­дом гра­фит и аморф­ный У. на­чи­на­ют реа­ги­ро­вать при 1200 °C, с фто­ром – при 900 °C. Гра­фит взаи­мо­дей­ст­ву­ет с фто­ром при 400–500 °C с об­ра­зо­ва­ни­ем т. н. мо­но­фто­ри­да гра­фи­та CF_x (x=0,68–0,99). Ал­маз в ат­мо­сфе­ре фто­ра сго­ра­ет при темп-ре вы­ше 730 °C с об­разо­ва­ни­ем тет­раф­то­ри­да CF₄. В ат­мо­сфе­ре азо­та при про­пус­ка­нии элек­трич. раз­ря­да ме­ж­ду уголь­ны­ми элек­тро­да­ми об­ра­зу­ет­ся ци­ан. С се­рой гра­фит да­ёт се­ро­уг­ле­род CS₂, из­вест­ны так­же CS и C₃S₂. С боль­шин­ст­вом ме­тал­лов, бо­ром и крем­ни­ем гра­фит об­ра­зу­ет со­от­вет­ст­вую­щие кар­би­ды, бо­ри­ды, си­ли­ци­ды. Гра­фит рас­тво­ря­ет­ся в кон­цен­трир. рас­тво­рах ки­слот-окис­ли­те­лей – сер­ной и азот­ной. Ал­маз инер­тен по от­но­ше­нию к ки­сло­там и ще­ло­чам. Аморф­ный У. (уголь) при на­гре­ва­нии вы­сту­па­ет как ак­тив­ный вос­ста­но­ви­тель. Прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие хи­мии ал­ма­за от хи­мии гра­фи­та со­сто­ит в том, что в ре­зуль­та­те хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вий кри­стал­лич. ре­шёт­ка ал­ма­за раз­ру­ша­ет­ся. Гра­фит же в хи­мич. ре­ак­ци­ях мо­жет со­хра­нить свою слои­стую струк­ту­ру и об­ра­зо­вать ин­тер­ка­ла­ты.

Применение

У. – один из важ­ней­ших ис­точ­ни­ков энер­гии. Гра­фит ис­поль­зу­ет­ся как за­мед­ли­тель ней­тро­нов в ядер­ных ре­ак­то­рах, вос­ста­но­ви­тель в ме­тал­лур­гии, для по­лу­че­ния элек­тро­дов, лёг­ких тер­мо­стой­ких уг­ле­род­ных ма­те­риа­лов (см. Уг­ле­гра­фи­то­вые ма­те­риа­лы, Уг­ле­пла­сти­ки и др.), как твёр­дая смаз­ка. Ис­клю­чит. твёр­дость и вы­со­кий ко­эф. пре­лом­ле­ния ал­ма­за обу­слов­ли­ва­ют его при­ме­не­ние в ре­жу­щих и аб­ра­зив­ных ма­те­риа­лах. Вы­со­ко це­нят­ся гра­нё­ные и шли­фо­ван­ные кри­стал­лы ал­ма­за (брил­ли­ан­ты). Вы­со­кая те­п­ло­про­вод­ность ал­ма­за (до 2000 Вт/м·К) де­ла­ет его перс­пек­тив­ным ма­те­риа­лом для по­лу­про­вод­ни­ко­вой тех­ни­ки. Кар­бин при­ме­ня­ет­ся в фо­то­эле­мен­тах. Са­жа слу­жит на­пол­ни­те­лем в про­из-ве ре­зи­ны, идёт на по­лу­че­ние кра­сок. Стек­ло­уг­ле­род ис­поль­зу­ет­ся в атом­ной энер­ге­ти­ке, слу­жит для соз­да­ния тер­мо­стой­ких по­кры­тий кос­мич. ап­па­ра­тов и са­мо­лё­тов. В фар­ма­ко­ло­гии и ме­ди­ци­не ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся разл. фор­мы У. и его со­еди­не­ний – про­из­вод­ные уголь­ной ки­сло­ты и кар­бо­но­вых ки­слот, разл. ге­те­ро­цик­лы, по­ли­ме­ры и др. со­еди­не­ния. Уг­ле­род­ные на­но­труб­ки на­шли при­ме­не­ние для соз­да­ния ар­ми­ро­ван­ных тер­мо­стой­ких проч­ных ком­по­зиц. ма­те­риа­лов, спец. бу­маг, из­го­тов­ле­ния дис­пле­ев.