1. Поширення в природі.

2. Фізичні й хімічні властивості.

3. Народногосподарське значення.

4. Карбон в організмі.

ПОШИРЕННЯ В ПРИРОДІ

Карбон (лат. Carboneum, C) — хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва. Відомі два стабільні ізотопи І2С (98,892 %) і ІЗС (1,108 %).

Вуглець відомий із глибокої давнини. Деревне вугілля служило для віднов­лення металів із руд, алмаз — як дорогоцінний камінь. Значно пізніше почав застосовуватися графіт для виготовлення тиглів та олівців.

У 1778 p. K. Шеєле, нагріваючи графіт із селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля із селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений у результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) із ви­вчення горіння алмаза на повітрі й у результаті досліджень С. Теннанта (1797), який довів, що однакові кількості алмаза й вугілля дають при окисненні рівні кількості вуглекислого газу. Карбон як хімічний елемент був виз­наний тільки в 1789 р. А. Лавуазьє. Латинську назву carboneim Карбон отри­мав від carbo — вугілля.

Середній вміст Карбону в земній корі складає 2,3 • 10-2 % за масою. Кар­бон накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): у живій речовині 18 % Карбону, у деревині — 50 %, у кам'яному вугіллі — 80 %, у нафті — 85 % в антрациті — 96 %. Значна частина Карбону літосфери зосереджена у вап­няках і доломітах.

Число власних мінералів Карбону — 112, винятково велике число органічних сполук Карбону — вуглеводні й їхні похідні.

З накопиченням Карбону в земній корі пов'язані нагромадження і багатьох інших елементів, що сорбуються органічною речовиною й осаджуються у виг­ляді нерозчинних карбонатів і т. ін.

У порівнянні із середнім умістом Карбону в земній корі, людство у винятко­во великих кількостях видобуває Карбон із надр (вугілля, нафта, природний газ), тому що ці копалини — основні сучасні джерела енергії.

Карбон широко розповсюджений також у космосі; на Сонці він займає чет­верте місце після Гідрогену, Гелію й Кисню.

ФІЗИЧНІ Й ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт.

Графіт — сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, дуже м'яка маса з метале­вим блиском.

Алмаз — дуже тверда кристалічна речовина. Кристали мають кубічну гра-нецентровану решітку (А = 3,560Е). Помітне перетворення алмаза на графіт спостерігається при температурах понад 1 400 °С у вакуумі або в інертній ат­мосфері. При атмосферному тиску й температурі близько 3 700 °С графіт ви­паровується.

Рідкий вуглець можна отримати при тиску вищому за 103 МПа, і темпера­турах вищих за 3 700 °С. Для твердого вуглецю (кокс, сажа, деревне вугілля) характерним є також стан із неупорядкованою структурою — «аморфний» вуглець, який не являє собою самостійної модифікації; в основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів «аморфного» вуглецю вище за 1 500—1 600 °С без доступу повітря викликає їхнє перетворення на графіт. Фізичні властивості «аморфного» вуглецю дуже сильно залежать від дисперсності частинок і наявності домішок. Густина, те­плоємність, теплопровідність і електропровідність «аморфного» вуглецю зав­жди вища, ніж графіту.
Карбін отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (густина р (4 °С) = 1,9—2 г/см3). Побудований з довгих лан­цюжків атомів Карбону, покладених паралельно один до одного.

Лонсдейліт знайдений у метеоритах і отриманий штучно; його структура й властивості остаточно не встановлені.

Електронна конфігурація зовнішньої оболонки атому Карбону 2s22p2

Для Карбону характерним є утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обу­мовлене збудженням зовнішньої оболонки до стану 2s'2p3:

Тому Карбон здатний однаковою мірою як притягати, так і віддавати елект­рони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок утворення sp3-, sp2- і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Кіль­кість валентних електронів Карбону й кількість валентних орбіталей однако­ві — це одна з причин стійкості зв'язку між атомами Карбону.

Унікальна здатність атомів Карбону з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних сполук Карбону, досліджуваних органічною хімією.

У сполуках Карбон виявляє ступені окиснювання – 4; +2; +4. Атомний ра­діус 0,77Е, ковалентні радіуси 0,77Е, 0,67Е, 0,60Е відповідно в одинарному, подвійному та потрійному зв'язках; іонний радіус С" 2,60 Е, С4+ 0,20 Е. При звичайних умовах Карбон хімічно інертний, при високих температурах він з'єд­нується з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості.

Усі форми вуглецю стійкі до лугів і кислот і повільно окиснюються тільки дуже сильними окиснювачами, наприклад, хромовою сумішшю (суміш концен­трованих HN03 і КС103) або киснем:«Аморфний» вуглець реагує із фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз — при нагріванні. Безпосереднє з'єднання вуглецю з хлором відбувається в електричній дузі; із бромом і йодом вуглець не реагує, тому численні галогеніди Карбону синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідів загальної формули СОХ2 (де X — галоген) найбільш відомий хлорокис СОС12 (фосген).

При температурах вищих за 1 000 °С вуглець взаємодіє з металами, утворюю­чи карбіди.

Усі форми вуглецю при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb та ін.) або карбідів (Са2, Мо2С, WC, Та та ін.):

Вуглець реагує при температурах вищих за 600—800 °С з водяною парою і вуглекислим газом:

Усі форми вуглецю нерозчинні у звичайних неорганічних і органічних розчин­никах, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).

НАРОДНОГОСПОДАРСЬКЕ ЗНАЧЕННЯ

Народногосподарське значення вуглецю визначається тим, що понад 90 % усіх первинних джерел споживаної у світі енергії припадає на органічне паливо, незважаючи на інтенсивний розвиток ядерної енергетики Тільки 10 % видобутого палива використовується як сировина для основного органічного синтезу й нафтохімічного синтезу, для отримання пластичних мас та ін.

КАРБОН В ОРГАНІЗМІ

Карбон - найважливіший біогенний елемент, що складає основу життя на Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть участь у побудові організмів і в забезпеченні їхньої життєдіяльності (біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та ) Значна частина необхідної організмам енергії утворюється в клітинах за рахунок окиснювання вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції карбоно­вих сполук.

Унікальна роль Карбону в живій природі обумовлена його властивостями, яких у сукупності не має жоден інший елемент періодичної системи Між атомами Карбону, а також між Карбоном й іншими елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними)