Вуглець і вуглецеві матеріали

Вуглець у вигляді сажі, деревного і кам'яного вугілля відомий із глибокої давнини.

Вуглець складає приблизно 0,5 % від маси земної кори (~1•1017 т). Кругооберт вуглецю, як і будь-якого іншого елемента, відбувається за великим і малим циклами. Великий (геологічний) кругооберт пов'язаний з хімічним вивітрюванням вуглецю літосфери і виносом в океан карбонатів вивержених порід з подальшим метаморфізмом і виділенням вуглекислоти у атмосферу.

Біологічний кругооберт вуглецю пов'язаний з життєдіяльністю організмів. Вуглець, що міститься у вигляді СО2 в атмосфері (23,5•1011 т), служить сировиною для фотосинтезу рослин. Частина вуглецю у вигляді СО2 повертається в атмосферу при розкладанні рослин, а інша частина накопичується у вигляді мертвої органіки, наприклад покладів вугілля і торфу -- продуктів процесу фотосинтезу рослин минулих геологічних епох.

Основна маса вуглецю акумульована в карбонатних відкладах дна океану (1,3•1016 т), кристалічних породах (1,0•1016 т), кам'яному вугіллі і нафті (3,4•1015 т). Саме цей вуглець бере участь у повільному геологічному кругооберті. Життя на Землі і газовий баланс атмосфери підтримуються відносно невеликою кількістю вуглецю, що приймає участь у малому кругооберті і міститься в тканинах рослин (5•1011т) і тварин (5•109 т).

Органогенні породи (біоліти) поділяються на дві групи -- каустобіоліти (горючі копалини) і акаустобіоліти (негорючі породи: крейда, вапняк, корали).

У природі вуглець зустрічається й у вільному стані, і у вигляді сполук -- головним чином солей вугільної кислоти (крейда, вапняк, мармур). Багато вуглецю містять кам'яне і буре вугілля, торф. Вуглець входить до складу нафти, природного газу, повітря, рослин, організму людини і тварин. На відміну від кисню й азоту вуглець при звичайних умовах крім фулеренів не утворює молекул, у нього атомні кристалічні гратки, що пов'язано з чотирьохвалентністю вуглецю. Різні способи утворення атомами вуглецю чотирьох зв'язків один з одним обумовлюють існування різних алотропічних видозмін. Порядок взаємного розташування атомів вуглецю в цих речовинах істотно різний.

На сьогодні відомо чотири алотропні модифікації вуглецю: алмаз, графіт, карбін і фулерени. Графіт і алмаз давно були виявлені в природі, пізніше були розроблені шляхи їхнього синтезу, тоді як карбін і фулерени в останні десятиліття отримано в лабораторіях, а дані про їхню наявність у природі іноді заперечуються. Зовнішній вигляд, фізичні і хімічні властивості цих модифікацій різко відрізняються, незважаючи на те, що в їхньому утворенні беруть участь ті самі атоми. Таке явище -- дія тих самих зв'язків, що з'єднують атоми вуглецю в молекулах розглянутих речовин.

Алмаз графіт карбін фулерен С60

Рис. 1.1 Основні модифікації вуглецю

У незбудженому стані, що практично не зустрічається в сполуках, електронна конфігурація атома C 1s22s22p2. При утворенні міжатомних зв'язків у молекулах відбувається гібридизація електронів зовнішньої оболонки по типу sp3 в алмазі, sp2 у графіті і фулеренах та sp у карбінах. Відзначимо, що sp2 -- гібридизовані атоми вуглецю у графіті утворюють в нескінченні площини, що складаються з правильних шестикутників (гексагонів), а у фулеренах утворюють замкнуті оболонки, які включають цілком визначену кількість атомів.

Алмаз і графіт, відомі людині з давніх-давен, знайшли широке практичне використання задовго до розшифровки їхньої структури, яка остаточно була встановлена тільки після розробки відповідних фізико-хімічних методів аналізу (рентгенографії, електронографії т.п.). Що стосується карбіна і фулерена картина зворотна: їхні структури встановлені, а області застосування тільки плануються на основі можливих технологічних властивостей.

Вуглець може утворювати сполуки, знаходячись у ступені окислювання +4 і --4. Відома єдина сполука, де вуглець формально двохвалентний зі ступенем окислення +2. Це оксид вуглецю (II). В усіх випадках вуглець, як правило, чотирьохвалентний. Це ж характерно і для кремнію.

Вуглець і кремній займають особливе положення серед інших хімічних елементів. На основі вуглецю побудовані молекули живих організмів. Кремній -- один з головних елементів, які утворюють земну кору.