Химический элемент Углерод

Объяснение изображения

Три короны представляют три основные формы элемента в природе и статус углерода как «короля элементов» в периодической таблице.

Внешность

Существует ряд чистых форм этого элемента, включая графит, алмаз, фуллерены и графен. Алмаз – бесцветное, прозрачное, кристаллическое твердое вещество и самый твердый из известных материалов. Графит черный, блестящий, но мягкий. Наноформы, фуллерены и графен, выглядят как черные или темно-коричневые, похожие на сажу порошки.

Использует

Углерод является уникальным среди элементов по своей способности образовывать прочно связанные цепи, запечатанные атомами водорода. Эти углеводороды, добываемые естественным путем в виде ископаемого топлива (уголь, нефть и природный газ), 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.Примеси углерода в виде древесного угля (из древесины) и кокса (из угля) используются при выплавке металлов. Это особенно важно в черной металлургии.Графит используется в карандашах, для изготовления щеток электродвигателей и футеровки печей. Активированный уголь используется для очистки и фильтрации. Он содержится в респираторах и кухонных вытяжках.Углеродное волокно находит множество применений как очень прочный, но легкий материал. В настоящее время он 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 бритвенные лезвия.Недавнее открытие углеродных нанотрубок, других фуллеренов и листов графена толщиной до атома 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 было 390 ppm. Атмосферный углекислый газ пропускает видимый свет, но предотвращает утечку инфракрасного излучения (естественный парниковый эффект). Это сохраняет температуру Земли достаточно теплой, чтобы поддерживать жизнь. Однако наблюдается усиление парникового эффекта из-за антропогенного повышения уровня углекислого газа в атмосфере. Это влияет на живые существа по мере изменения нашего климата.

Биологическая роль

Углерод необходим для жизни. Это потому, что он способен образовывать огромное количество цепочек разной длины. Когда-то считалось, что молекулы жизни на основе углерода можно получить только из живых существ. Считалось, что они содержат «искру жизни». Однако в 1828 г. из неорганических реагентов синтезировали мочевину и объединили разделы органической и неорганической химии.Живые существа получают почти весь углерод из углекислого газа, либо из атмосферы, либо растворенного в воде. Фотосинтез зеленых растений и фотосинтетического планктона 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 вместе с азотом, фосфором и другими элементами для образования других мономерных молекул жизни. К ним относятся основания и сахара для РНК и ДНК и аминокислоты для белков.Живые существа, которые не фотосинтезируют, должны 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, выделяемая в этой реакции, становится доступной для клеток.

Природное изобилие

Углерод содержится в Солнце и других звездах, образованных из обломков предыдущей сверхновой. Он образуется в результате ядерного синтеза более крупных звезд.Он присутствует в атмосферах многих планет, обычно в виде двуокиси углерода. На Земле концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время составляет 390 частей на миллион и продолжает расти.Графит естественным образом встречается во многих местах. Алмаз находится в виде микроскопических кристаллов в некоторых метеоритах. Природные алмазы находятся в минеральном кимберлите, источники которого находятся в России, Ботсване, ДР Конго, Канаде и Южной Африке.В сочетании углерод содержится во всех живых существах. Он также находится в окаменелых останках в виде углеводородов (природный газ, сырая нефть, горючие сланцы, уголь и т. Д.) И карбонатов (мел, известняк, доломит и т. Д.).