Углерод и его свойства

«Углерод – основа жизни…» - А. Е. Ферсман
Углерод - важнейшая составная часть тканей всех растений и животных. В живых организмах его содержание 1 – 25% от живого веса и до 45% от сухой массы растений.
• Атомы углерода могут соединяться между собой в длинные цепи, образуя громадное число органических соединений: белки углеводы, жиры, витамины и др.

Аллотропные модификации углерода
.

Аллотропия
Аллотропия – это явление существования двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, но различных по своему строению и соответственно свойствам. Все формы и модификации таких веществ называют аллотропными.

Алмаз
Самое твердое вещество, найденное в природе.
• Бесцветен, хотя встречаются и окрашенные образцы
• Кристаллы сильно преломляют свет.
• Не проводит электрический ток.

Плотность алмаза – 3,5 г/см3, tплав=3730С, tкип=4830оС.
Алмаз можно получить из графита при p > 50 тыс. атм. и tо = 1200оC.
В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка, определяющая многие свойства алмаза:
плохая тепло- и электропроводимость,
химическая инертность.
Алмазы очень редки и ценны, их вес измеряется в каратах
(1 карат=200мг). Ограненный алмаз называют бриллиантом

Графит
• Мягок, легко расслаивается на отдельные чешуйки.
• Непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим блеском.
• Тугоплавок.
• Проводит электрический ток.
Графит имеет слоистую структуру. В кристаллической решетке графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Связи между слоями малопрочны.

Карбин
Порошок черного цвета.
• По твердости занимает промежуточное положение между алмазом и графитом.
• Обладает полупроводниковыми свойствами.

Применение карбина
Карбин уже нашел применение в электронике, космонавтике, авиации и медицине. Перспективно его применение в оптике, микроволновой и электрической технологиях, в конструкциях источников тока и прочее. Во всех этих областях ключевое значение имеет высокая стабильность материала.

Фуллерен
Фуллерен является новой аллотропной формой углерода. Молекулы фуллерена состоят из 60,70 атомов, образующих сферу. Кристаллические фуллерены представляют собой полупроводники.

Применение фуллерена
Фуллерены используют :
Для создания фотоприемников;
Оптоэлектронных устройств;
Сверхпроводящих материалов;
В качестве красителей для копировальных машин;
В качестве основы для создания аккумуляторных батарей.

Аморфный углерод
• Кокс - получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха. Применяется в металлургии в качестве восстановителя.
• Древесный уголь - образуется при сухой перегонке древесины, обугливании древесины.
• Активированный уголь - получают при нагревании древесного угля в струе водяного пара.
• Сажа - сжигание углеводородов при ограниченном доступе воздуха.

Применение аморфного углерода
Сажа используется при изготовлении типографской краски, картриджей, косметической туши;
Кокс используется в доменных печах при выплавке стали и чугуна;
Древесный уголь применяется в качестве топлива;
Активированный уголь применяется как на этапе оказания первой помощи отравившемуся человеку, так и во время последующего лечения и восстановления организма.

Причины аллотропии углерода
• Самый маленький атом в группе.
• Атом с самой высокой валентностью среди элементов своего периода.
• Большая электронная плотность на валентных орбиталях.

Вывод:
Углерод и его аллотропные модификации имеют большое практическое значение в жизни человека и промышленности. Если аллотропные модификации углерода (алмаз, графит) были изучены уже давно, то, например, фуллерен (1985) до конца еще не исследован, но нашел широкое применение в оптоэлектронике, микроэлектронике, в производстве полевых транзисторов и других областях советской техники.