1.3 Физические свойства
Электронная структура атома углерода 1S2 2S2 2P2. В зависимости от числа сигма – связей координационное число углерода равно четырем (SP3 – гибридизация), трем (SP2 – гибридизация) или двум (SP – гибридизация).
В большинстве соединений углерод четырехвалентен, ему приписывают степень окисления -4,+4,+2. Число валентных электронов углерода равно числу валентных орбиталей. Это одна из основных причин большой устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей. Гомоцепные молекулы, содержащие связь С-С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые, циклические [4].
По мимо одинарных, углерод легко образует кратные связи. При образовании кратных связей, для углерода характерно наличие только сигма-связи, из-за отсутствия в его атоме d-электронов.
Значение ОЭО углерода [2,6] промежуточное между таковыми электроположительных и электроотрицательных элементов, хотя ближе к последним. Поэтому даже в случаях максимальной поляризации атомов углерода в его соединениях не имеет места возникновение самостоятельных ионов С(4+) и С(4-). Поэтому химические соединения углерода малополярны [7].
Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C4- 2,60Å, C4+ 0,20Å. При обычных условиях, углерод химически инертен. При высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300—500 °С, 600—700 °С и 850—1000 °С с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO. CO2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты.
Изотопы углерода
Природный углерод в основном состоит из двух стабильных изотопов: С12 (около 99%) и С13 (около 1%). Кроме того, в атмосфере в очень малом количестве содержится также радиоактивный изотоп С14.
Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов углерода, из которых отметим два: С11 и С14. Особенно большое применение нашел второй из них; первый менее удобен из-за своей малой устойчивости.
Изотоп С14 получают по реакции N14 (n,р) С14, которая идет с медленными нейтронами. Мишенью обычно служит NH4NO3, иногда Ca(NO3)2.
С помощью изотопа С14 найдено, что в растениях, наряду с фотосинтетическим ассимилированием углекислого газа из атмосферы, идет интенсивное использование углерода из почвы через корневую систему.
Изучая хлорофилл, меченный изотопом С14, удалось выяснить большую роль этого пигмента в питании сельскохозяйственных животных. Как оказалось, хлорофилл повышает общее благоприятное состояние организма, увеличивает плодовитость животных, повышает их стойкость против заболеваний. Еще хлорофилл является важным средством, предупреждающим развитие малокровия (анемии) у животных в зимне-весенний период их содержания. Изотоп С14 позволил получить важные данные по усвояемости кормов. Установлено, что глюкоза усваивается организмом в течение нескольких минут [6].
1.4 Химические свойства
При низких температурах и уголь, и графит и, в особенности, алмаз инертны. При нагревании их активность увеличивается [5]
I. С простыми веществами:
- с галогенами.
Реагирует только с фтором.
С0 + 2F2 = C+4F 4
- с кислородом
C0 + O2 = C+4O2 - полное сгорание
2C0 + O2 = 2C+2O - неполное сгорание
- с серой
C0 + 2S = C+4S2
С азотом и фосфором углерод не взаимодействует.
- с водородом
2H2 +C = CH4 При 6000С
2C + 2H2 = C2H2 + Н2 При 1500-20000С
- с металлами образует карбиды.
С кремнием углерод дает карбид состава SiC. Это кристаллическое вещество, по твердости приближающееся к алмазу (царапает стекло). В чистом виде кристаллы бесцветны. Технический продукт окрашен примесями и носит название карборунда. Применяется для изготовления шлифовальных кругов, а также как огнеупорный материал. Карбид кремния важный полупроводниковый материал [6]
2C + Ca = CaC2
3C + 4Al = Al4C3
Карбиды – это кристаллические вещества. Природа химической связи в них может быть различной. Так многие карбиды металлов главных подгрупп I, II и III групп периодической системы представляют собой солеобразные соединения ионной связи [5].
Углерод при взаимодействии с более электроотрицательными элементами является восстановителем, а с металлами и водородом – окислителем.
II. Со сложными веществами.
- с водой не взаимодействует.
- скислотами
C + 2H2SO4 (конц) = CO2 + 2SO2 + 2H2O
C + 4HNO3 (конц) = CO2 + 4NO2 + 2H2O
3С + 4HNO3 (разб) = 3СО2 + 4NO + 2H2O
В этих реакциях углерод является восстановителем.
Уголь – активный восстановитель. При высокой температуре он отнимает кислород от оксидов многих металлов.
Al2O3 + 3C = 3CO + 2Al
PbO + C = CO + Pb
Восстановительной способностью угля пользуются при выплавке металлов из руд [6].
1.5 Аллотропные модификации
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 пять аллотропических модификаций – алмаз, графит, фуллерен, карбин и нанотрубки.
Кристаллы алмаза, графита и карбина представляют собой соответственно пространственный, плоский и линейный полимеры углерода, однородные по валентным модификациям составляющих их атомов.
Форму элементарного углерода - карбин, открыли в 60-годах. Карбин представляет собой линейную структуру - сшитые или двойными связями, или чередующимися одинарными - тройными связями цепочки из атомов углерода. Углеродные волокна, чудесный и сверхпрочный конструкционный материал последних лет состоит из поликристаллического карбина. Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных волокон в среде благородных газов. Это сверхпрочные нити, обладающие проводниковыми свойствами. Из них в настоящее время изготовляют пуленепробиваемые жилеты, конструкционные элементы самолетов, ракет, сами ракетные двигатели, костюмы, обогреваемые электричеством и многое другое. В начале восьмидесятых в США из этих волокон, обработанных эпоксидной смолой, был сделан самолет, облетевший без дозаправок и посадок весь Земной шар. Так вот, его сухая масса составляла не более 10% от взлетного веса [9].
1.5.1 Алмаз
Алмаз состоит из атомов углерода с SP3 – гибридизацией валентных электронов. В его пространственно полимерной структуре каждый атом связан с четырьмя соседними атомами 4 сигма-связями [3].
Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твердость http://nadezda.spb.ru/?title=%D0%A8%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0_%D0%9C%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%B0, наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обуславливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат — менее 1 % от энергии кристалла.
Температура плавления алмаза составляет 3700-4000°C. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000°С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720—800°С, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000°С без доступа воздуха алмаз переходит в графит. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063.
Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать — светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгено- люминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы. Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом [8].
Нахождение алмазов в природе. Синтетические алмазы
Алмазы — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концуXIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.