Углерод в чем содержится: Белок и его составляющие в продуктах питания :: Инфониак – Углерод — Википедия

Ключевые химические элементы в продуктах питания

Ткани физического тела человека составлены в основном двадцатью шестью химическими элементами. Безусловно, в составе тканей человеческого тела можно найти практически любой из известных и, вероятно, некоторые из неизвестных элементов таблицы Менделеева. По крайней мере, их следы. Если, конечно, как следует поискать.  Шри Свами Шивананда предназначал свою «Йогатерапию» самой широкой публике, поэтому, не вдаваясь в подробности, говорит только о самых главных из элементов, составляющих ткани нашего тела, то есть о тех, которые содержатся в организме человека в наибольших количествах и имеют ключевое значение для нормального протекания физиологических процессов. К этим элементам относятся кислород, углерод, фтор, водород, азот, кальций, калий, фосфор, сера, кремний, калий, хлор, натрий, магний, йод, железо, медь, марганец, молибден, кобальт, бор, бром, фтор, селен, хром, литий, радий. Нормальное процентное соотношение элементов примерно таково: кислород — 62%, углерод — 20%, водород — 10%, азот — 3%, кальций — 2,5%, фосфор — 1%, сера —0,25%, калий —0,25%, хлор—0,2%, натрий — 0,1%, магний — 0,07%, йод — 0,01%, железо — 0,01%. Итого на тринадцать основных элементов, именуемых макроэлементами, приходится 99,59 процента состава тела. Оставшаяся часть составлена всеми остальными элементами, которые обнаруживаются в количествах чрезвычайно малых и потому именуются микроэлементами. Следует непременно отметить, что важность того или иного химического элемента для организма отнюдь не всегда безусловно определяется его необходимым количеством.  Целый ряд микроэлементов входит в состав соединений, выполняющих жизненно важные регулирующие и управляющие функции. Химические элементы организма и продукты питания Кислород Мы постоянно пребываем на дне воздушного океана — атмосферы нашей планеты, только около 21% которой составляет кислород. Обычно наш организм может использовать лишь 4—5% кислорода, который мы вдыхаем вместе с воздухом, оставшиеся же 16—17% выдыхаются неиспользованными, в то время как для нашего физического тела кислород является элементом первостепенной необходимости. Уже говорилось о том, что тело наше на 62% состоит из кислорода. Жизнь человеческого существа угасает от недостатка этого элемента, когда его нет в воздухе. Именно за счет кислорода протекают процессы, поддерживающие в теле пищеварительный огонь, нормальную температуру и снабжающие его энергией, необходимой для функционирования. Кроме того, примерно шестьдесят три процента массы тела взрослого человека приходится на воду, а ведь в каждую молекулу воды входит один атом кислорода. Кислород присутствует в любых продуктах питания, но особенно богаты им сочные фрукты и овощи. Потому назовем их кислородсодержащей или кислородистой пищей. Совершенно очевидно, что именно кислородистая пища является первейшей необходимостью для человеческого организма, и совсем ни к чему искать в ней калорийность и сытность. Она полна жизни и жизненной энергии, и в этом ее особая ценность. Углерод Углерод — энергоноситель и основа пластического обмена. Именно соединения углерода сгорают в топке нашего тела, снабжая грубой энергией нижний котел, откуда она поступает во все части, и системы тела, поддерживая их функциональные способности. И именно извлекаемый из пищи углерод наше тело использует для построения венных клеток. Правда, поступление углерода в систему не должно намного превышать некоторый оптимум, иначе возникают серьезные проблемы с его использованием, он «захламляет» систему тела, способствуя возникновению серьезных функциональных нарушений. Как и кислород, углерод имеется во всех продуктах, однако особенно богаты им продукты, в состав которых в больших количествах входят углеводы и жиры: все виды жиров, зерна злаковых, бобовые, крахмалистые, в частности,  картофель, бананы и т. д. Водород В состав каждой молекулы обычной воды входят два атома водорода, соответственно, водород жизненно необходим для формирования всех жидких сред организма. Зеленые овощи, сочные фрукты, вода, молоко — все это продукты, богатые водородом. Поскольку в основном речь здесь идет о входящей в их состав воде, перечисленные продукты богаты как водородом, так и кислородом. Азот Органическая жизнь — жизнь белковых тел. В основе молекул аминокислот, из которых составлены белки — азот. Таким образом, без азота существование физического тела органического существа попросту невозможно. Белковые продукты, такие как, мясо, рыба, яйца, молоко, творог, бобовые и орехи, являются азотистой пищей. Кальций Кальций участвует в формировании костей и зубов, играет существенную роль в регуляции сердечной деятельности и функционирования нервной системы, является важным составным элементом материнского молока. От нормального содержания кальция в организме зависит свертываемость крови, при существенном его недостатке даже небольшая рана может стать причиной смерти от потери крови.  Кроме того, кальций является одним из основных элементов, входящих в состав спермы в организме мужчины, недостаток же кальция в организме женщин вызывает лейкорею. От кальция зависит работа иммунной системы, от его недостатка снижается сопротивляемость организма болезням. Кроме того, при нехватке кальция ухудшается способность мыслить, нарушается память, и дух человека делается хилым. Зубы начинают быстро портиться, кости теряют прочность, и нормальная жизнь человеческого существа становится невозможной. Большое количество кальция содержится в семени, поэтому безалаберный секс подрывает иммунитет человека, лишает его умственной и физической силы. Все овощи, зелень (шпинат, петрушка и др.), сочные фрукты (цитрусовые, яблоки, груши, манго, ананасы, гранаты, дыни, виноград)  содержат большое количество кальция. Много кальция в молочных продуктах (кроме масла), бобовых и орехах. Среди продуктов, относящихся к категории «животной пищи» кальцием богаты яйца, мелкая рыба и другие морепродукты. В мясе, крупной рыбе, масле сливочном и растительном, а также в зернах основных злаковых культур кальция немного. Кальций, содержащийся в животной пище, усваивается несколько хуже, чем тот, которым богаты продукты «растительной» категории. Фосфор Фосфор участвует в формировании и восстановлении нервов, мягких тканей, костей, зубов и т. д. Все без исключения продукты в том или ином количестве содержат усваиваемые человеческим организмом соединения фосфора. Особенно им богаты морепродукты. Если механизм усвоения фосфора в организме человека не нарушен, то при нормальном питании возникновение нехватки этого в организме представляется довольно маловероятным. Железо Железо входит в состав гемоглобина — специфического пигмента крови, находящегося в красных кровяных тельцах. Красные кровяные тельца образуются в красном костном мозге и отвечают за перенос кислорода от органов дыхания к тканям всего организма за счет образования гемоглобином непрочного соединения с кислородом. Зелень и овощи зеленого цвета, некоторые фрукты, в частности яблоки, содержат большое количество железа. Богаты этим элементом кабачки, горькая тыква, картофель, дыня. Животная пища и углеводистые продукты также содержат железо, но в небольшом количестве по сравнению с зелеными овощами. Йод Несмотря на то, что организму человека требуется крайне незначительного количество йода, элемент этот относится к числу жизненно важных, поскольку его нехватка или избыток разрушительным образом сказываются на функционировании всей эндокринной системы, что порождает тяжелейшие расстройства здоровья. Поступающий в организм в чистом виде йод практически не усваивается. При попадании внутрь значительных количеств чистого йода может развиться тяжелое отравление. Поэтому основным источником этого элемента являются вода и пища, содержащие усваиваемые его соединения. Йодом богаты зеленые овощи различных сортов, кислые фрукты, соль из морской воды, морская рыба и все морепродукты. Птичьи яйца и жир из печени трески также содержат йод, однако наш организм усваивает его не так легко, поскольку эти продукты относятся к разряду тяжелой пищи.  Потому йогины считают, что для пополнения запасов йода в организме яйца птиц и печень трески в общем-то пригодны, однако не являются оптимальным выбором. Многие из восточных пряностей — таких, как имбирь, перец, кориандр, тмин, гвоздика, куркума, также снабжают организм йодом. Натрий Плазма крови содержит в себе соли натрия. Натрий играет важную роль в обменных и многих других процессах. Овощи, фрукты, молочные и углеводистые продукты, то есть все продукты «неживотной» категории. Калий Соли калия способствуют сохранению нормального состояния мягких тканей, делают их эластичными и участвуют в целом ряде процессов совместно с солями натрия. Хотя натрий и калий близки по свойствам, калий превосходит натрий по важности, поскольку существенная нехватка в организме натрия замедляет рост и снижает общую сопротивляемость, тогда как нехватка калия грозит очень скорой смертью. Калием богаты все продукты, которые содержат натрий. Магний Магний участвует в формировании костей, зубов и нервных клеток. Соли магния содержатся в большинстве овощей и в орехах различных сортов. Сера Играет существенную роль в обменных процессах, нарушение серного баланса отрицательно сказывается на общем состоянии здоровья, и в частности — на работе печени и селезенки. К серосодержащим продуктам относятся лук, редис, капуста, шпинат, сельдерей, непросеянная мука, ячмень и сырые яйца. Фтор Соли фтора играют большую роль в кальциевом обмене. От достаточного их наличия зависит состояние зубов, костей и глаз. Недостаток фтора в организме ведет к кариесу зубов, непрочности костей и инфекционным глазным заболеваниям. При избытке фтора зубы становятся чрезмерно твердыми и хрупкими. Шпинат, свекла, другие овощи, сырые яйца и печень трески содержат фтор. Кремний Соли кремния также участвуют в кальциевом обмене, сохраняют крепость зубов, цвет и здоровое состояние кожи и волос. Кроме того, кремний способствует эластичности стенок сосудов, сухожилий и мышц. Недостаток кремния в организме вызывает порчу зубов, выпадение волос, преждевременное поседение и подверженность кожным заболеваниям. Кремний содержится в различных пропорциях во всех сочных фруктах, в редисе, капусте, огурцах, шпинате и др. Марганец Марганец функционально связан с железом. Он участвует в процессах очищения крови и оживляюще действует на нервы и железы. Продукты, содержащие марганец — цветная капуста, салат-латук, бобы, петрушка, миндаль и др.   По материалам книги Свами Шивананда «Новый взгляд на традиционную йога-терапию»   < Предыдущая   Следующая >

Углерод

Углерод

 

Описание

Содержимое в человеческом организме

Биологическая роль

Источники

Суточная потребность

Недостаток и избыток

Токсичность

 

 

 

Описание

(вернуться к оглавлению)

 

Соединения углерода являются основой растительных и животных организмов. Также он входит в состав веществ, имеющих неживотное происхождение — угля, нефти, природных газов, а также многих минералов, например, мела, мрамора, известняка.

Углерод образует четыре простых вещества – алмаз, графит, карбины и фуллерены, которые резко отличаются между собой по своим свойствам.

Алмаз является бесцветным кристаллом и самым твердым из минералов. Он имеет высокий коэффициент преломления и обладает свойствами диэлектрика. Благодаря этим свойствам алмаз широко применяется в промышленности.

Графит встречается в природе гораздо чаще, чем алмаз. Графит – это такая форма углерода, в которой каждый атом углерода связан с тремя соседями, образуя плоскую сетку. В результате он имеет слоистую структуру, причем связь между слоями осуществляется в основном за счет относительно слабых межмолекулярных сил. Все это определяет свойства графита – он мягок, легко расслаивается, хорошо проводит тепло, имеет серый цвет и металлический блеск, заметно электропроводен. Сажа, древесный уголь и другие угли, получаемые из органического и неорганического сырья, представляют собой мелкокристаллический графит, так что обычно термином «углерод» обозначают именно графит той или иной степени дисперсности. При стандартных условиях графит весьма инертен, но значительно более активен, чем алмаз. Он не реагирует с кислородом, водородом, галогенами. На него не действуют растворы кислот и щелочей. При нагревании графит сгорает в кислороде или на воздухе с образованием СО₂. С другими неметаллами, кроме фтора и серы, он непосредственно не реагирует. Взаимодействие с металлами возможно только при высоких (1000-2000°С) температурах, а с водородом – еще и при высоких давлениях. Низкая реакционная способность графита позволяет использовать его как материал для тиглей, электродов, как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Резкое различие в свойствах алмаза и графита обусловлено различным строением их кристаллов.

Третья форма существования углерода – карбин – черный мелкокристаллический порошок, имеющий полупроводниковые свойства.  Карбины более активны, чем графит.

Четвертая форма – фуллерены. В них атомы углерода связаны многоцентровыми связями. При этом образуются правильные многогранники, в вершинах которых располагаются атомы. Наиболее характерны системы, содержащие 60 или 70 атомов, представляющие собой практически сферические частицы.

Наиболее известны два оксида углерода.

Оксид углерода СО – монооксид, угарный газ. При нормальных условиях не имеет цвета и запаха. Достаточно инертен при нормальных условиях. Он практически не растворяется в воде и с ней не реагирует. Молекула СО имеет самую высокую энергию связи среди двухатомных молекул, состоящих из разных атомов. Несмотря на высокую прочность СО легко сгорает, образуя СО₂. Реакция протекает самопроизвольно с выделением большого количества тепла.

Оксид углерода СО₂ – диоксид углерода, углекислый газ – получается при сгорании любых углеродсодержащих веществ в присутствии воздуха. Является продуктом дыхания живых существ. Диоксид углерода проявляет отчетливые кислотные свойства. Он легко реагирует со щелочами и основными оксидами, образуя соли угольной кислоты – карбонаты. Диоксид углерода плохо растворим в воде.

В природе углерод сосредоточен в карбонатных породах – известняках (СаСО₃), образующих громадные залежи, и некоторых других карбонатах (MgСО₃). Количество соединений углерода столь велико, что для их описания потребовалось выделить самостоятельное направление в химии – органическую химию. Число известных органических соединений углерода превышает 10 миллионов, тогда как число соединений всех остальных элементов составляет примерно 120 тысяч.

  

Содержание в человеческом организме

(вернуться к оглавлению)

 

Так как углерод является основой всех соединений органической химии, то в человеческом организме он присутствует повсеместно. Он входит в состав аминокислот, составных частей белков, представляющих основу жизнедеятельности. Помимо этого, углерод является компонентом жиров и углеводов, веществ, обеспечивающих процесс жизнедеятельности живых организмов.

Содержание в человеческом организме в процентном отношении к массе тела составляет 21 % от массы тела. Из них костная ткань – 36 %, мышечная ткань – 67 %.

  

Биологическая роль

(вернуться к оглавлению)

 

Как уже было сказано выше, углерод является основной составляющей всех органических форм жизни. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, гормонов, ферментов, витаминов, то есть можно сказать, что углерод в той или иной степени важен для всех органов и систем живого организма, и всех, протекающих в них процессов, поддерживающих его жизнедеятельности.

Углекислота (СО₂), содержащаяся в крови, возбуждает дыхательный центр, расширяет мозговые сосуды, повышает возбудимость сердечной мышцы. Гидрокарбонаты калия (KHСО₃) и натрия (NaHCO₃) входят в состав буферных систем крови и тканей, поддерживающих рН организма. Уксусная кислота (СH₃COОН) принимает участие в синтезе холестерина.

 

Источники

(вернуться к оглавлению)

 

Основным источником углерода является пища, состоящая все из тех же углеродсодержащих веществ – белков, жиров, углеводов и других. При попадании в организм эти вещества под действие пищеварительной системы распадаются до мономеров, которые в дальнейшем используются нашим организмом для собственных нужд. В основе этого процесса лежат соединения, в состав которых входит углерод.

 

Суточная потребность

(вернуться к оглавлению)

 

Суточная потребность углерода не нормируется, но существуют нормы потребления вышеперечисленных органических веществ с пищей, в состав которых входит углерод.

 

Недостаток и избыток

(вернуться к оглавлению)

 

Вряд ли, представляется возможным оценить, как на организм влияет недостаток углерода, поскольку он входит в состав почти всех необходимых человеку веществ. Поэтому можно оценивать влияние нехватки лишь конкретных его соединений. То же относится и к избытку углерода. Например, при избытке углекислого газа СО₂ в окружающей атмосфере наступает кислородное голодание.

 

Токсичность

(вернуться к оглавлению)

 

Свободный углерод в виде сажи токсичен для человека. Длительный контакт с сажей или угольной пылью вызывает рак. Мельчайшая пыль угля вызывает изменение структуры легких, и как следствие нарушение их функций.

Крайне токсичным является угарный газ СО. Его предельно допустимая концентрация составляет 3 мг/м³. Отравляющее действие этого вещества вызвано тем, что СО связывается с гемоглобином крови почти в 1000 раз легче, чем кислород. В результате чего препятствует связыванию гемоглобина и кислорода, что приводит к быстро развивающемуся кислородному голоданию, удушью и, как следствию, смерти.

 

Семь обличий углерода

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии — золотые контакты, над ними находится графен, выше — тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

zeiss.com

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу — карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C₆₀, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов  — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства. 

Фуллериты — кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K₃C₆₀). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина,  Cs₂RbC₆₀. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp²-гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

ncsu.edu

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp¹-гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp¹-углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Много ли материалов можно предсказать такими способами?

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв

Углерод — биологическая роль

Обратно в Витамины и минералы

Обмен веществ

Баланс PH

Кислородный обмен

Углерод является элементом-органогеном.
Его содержание в организме составляет 18% от общего веса, то есть более 12 кг для взрослого.
Атомы углерода являются структурной основой всех органических соединений, образуя бесконечное множество различных веществ (известно несколько миллионов органических соединений). Органические соединения углерода являются одним из основополагающих факторов жизни на Земле.

Биологическая роль углерода

Как и другие элементы-органогены, углерод в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением, — биологической ролью обладают его соединения.

• из различных соединений углерода (белки, жиры, углеводы, нуклеотиды, гормоны, амино- и карбоновые кислоты и др.) состоят все ткани организма
• является структурным компонентом всех органических соединений
• его соединения участвуют во всех биохимических процессах
• при окислении соединений углерода образуется необходимая для организма энергия
• оксид углерода (IV) CO₂, образующаяся в результате окисления соединений углерода, стимулирует дыхательный центр, регулирует значение рН крови

Пищевые источники углерода

Углерод находится во всех пищевых продуктах в виде соответствующих органических соединений. Человеческий организм не способен усваивать неорганические соединения углерода.

Дефицит углерода

Не наблюдается.

Избыток углерода

Не наблюдается. Возможны отравления токсичными соединениями оксид углерода (II), четыреххлористый углерод, сероуглерод, соли цианистой кислоты, бензол и другие.

Суточная потребность в углероде не нормирована 

Обратно в Витамины и минералы

Углерод. Аллотропия углерода — урок. Химия, 8–9 класс.

Химический элемент

Углерод — химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

 

C6+6)2e)4e

 

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \( +2\) или \(+4\).

 

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ. В земной коре распространены карбонаты (например, CaCO3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений, главным элементом которых является углерод. 

 

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит.

 

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

 

 

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

 

 

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

 

 

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

 

 

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

 

Из мельчайших частиц графита состоят сажа, древесный уголь и кокс. Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

 

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией.

 

Химические свойства

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

• Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов:

 

4Al0+3C0=tAl+34C−43.

 

В этой реакции углерод выступает как окислитель.

• Взаимодействие с водородом.

Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан. Углерод — окислитель.

 

C0+2H02=tC−4H+14.

• Взаимодействие с кислородом.

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

 

C0+O02=tC+4O−22.

• Взаимодействие с оксидами металлов.

Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:

 

2Cu+2O+C0=t2Cu0+C+4O2. 

Применение простых веществ

 Алмаз применяется:

• для обработки твёрдых поверхностей;
• для резки стекла;
• для изготовления буров и свёрл;
• для изготовления ювелирных украшений.

Графит используется:

• при изготовлении карандашей;
• как твёрдая смазка в подшипниках;
• для изготовления электродов;
• в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах;
• для получения искусственных алмазов.

Сажа:

• входит в состав типографской краски, крема для обуви;
• используется как наполнитель для производства резины.

Уголь используется:

• в противогазах, промышленных и бытовых фильтрах;
• для очистки сахарного сиропа, спирта и т. д.;
• в медицине.

Кокс применяется в металлургической промышленности.

Углерод в организме человека

Углерод (С) — шестой элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. Его содержание в земной коре составляет около 0,16%, то есть он является одним из самых распространенных химических элементов.

Углерод — это базовый биоэлемент. Все вещества, в молекулах которых имеется хотя бы один атом углерода, по определению считаются органическими (исключения составляют только карбиды, угольная кислота, оксиды углерода, цианиды и тиоцианаты).

Углерод уникален тем, что имеет все восемь степеней окисления (от 4 до -4). Правда, имеются другие химические элементы с таким же свойством, например, кремний, но на их основе вряд ли могла зародиться жизнь в привычном нам понимании, поскольку тот же кремний намного тяжелее углерода: оксид углерода при нормальных условиях — довольно легкий газ (немного тяжелее воздуха), оксид кремния — твердое вещество (кварц — почти 100%-ный оксид кремния). Более тяжелые аналоги (германий, олово и свинец) вообще не имеет смысла рассматривать в данном аспекте.

С углеродом человек познакомился очень давно, и вероятнее всего, в форме сажи и основного компонента древесного и каменного угля. Намного позже люди стали использовать такие аллотропные формы углерода, как графит и алмаз. Кстати, только в середине XVIII столетия благодаря французскому химику Лавуазье люди узнали, что алмаз — это углерод.

Благодаря наличию большого количества степеней окисления углерод образует очень большое количество аллотропных форм. Но в природе наиболее распространены только три — сажа, графит и алмаз. С помощью нанотехнологий в лабораторных условиях человек научился получать такие формы углерода, которые в природе сами по себе возникнуть не могут. Причем физические свойства таких форм еще только начали изучаться.

Углерод входит в состав всех соединений, участвующих в построении живых организмов и обеспечении их жизнедеятельности, — белков, жиров, углеводов, витаминов, нуклеиновых кислот, гормонов и т.д. На 21% тело человека состоит из углерода. Если из 100% вычесть 75%, приходящихся на воду, то… комментарии излишни. Наши мышцы на 2/3 состоят из углерода, кости — на 1/3. В кровяном русле человека в форме различных соединений циркулирует около 150 г углерода, а во всех костях его содержится около 280 г.

Наземные растения почти наполовину состоят из углерода.

Углерод входит в состав углекислого газа, который усваивают растения и в результате фотосинтеза превращают сначала в глюкозу, а затем в другие органические вещества. Многие растения без света погибают именно потому, что не могут без него поглощать углекислоту, то есть обречены на углеродное голодание. Ну, а без растений не обходится животный мир, поскольку травоядные представители фауны живут преимущественно за счет органических веществ растений. И так далее по пищевой цепи, вплоть до человека.

Организм животных получает энергию за счет окислительного распада углеродсодержащих соединений и при этом выделяет в окружающую среду углекислый газ.

В организм человека углерод попадает с пищей (приблизительно 300 г в сутки) и с углекислым газом, содержащимся в воздухе (в среднем 3,7 г в сутки).

Углекислый газ (углекислота) — очень стойкое химическое соединение, поэтому реакции с его образованием практически необратимые. Данное свойство находит самое широкое применение. Например, все карбонаты при соединении с кислотами образуют углекислоту, которая при обычных условиях имеет газообразную форму. Поэтому питьевая сода (гидрокарбонат натрия) или мел (карбонат кальция) при внутреннем употреблении нейтрализуют содержащуюся в желудке соляную кислоту, тем самым избавляя человека от изжоги.

В чистом виде углерод совершенно безопасен для человека. Активированный уголь, то есть почти 100%-ный углерод, имеет широкое применение в технике, химии, медицине, поскольку обладает абсорбирующими свойствами.

Токсичными для человека являются некоторые соединения углерода (например, СО — угарный газ, CS_{2 —} сероуглерод, ССl₄ — четыреххлористый углерод, С₆Н₆ — бензол, CN- — цианиды и др.).

Понравился сайт или статья? Поделитесь, пожалуйста, с друзьями и знакомыми в соцсетях или оставьте комментарий!

Комментарии для сайта Cackle

Углерод химический элемент

«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал — все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе — углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.

Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга — не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц — есть в активе только одного элемента — углерода.

И вообще литература по углероду — богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы…

Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного — попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод — один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода — алмаз или графит — была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода — уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод — это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах — в виде графита и алмаза.

Вам никогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств, который проходит во втором коротком периоде менделеевской таблицы по линии, отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот, кислород, фтор при обычных условиях газообразны. Углерод — в любой форме — твердое тело. Температура плавления азота — минус 210,5°С, а углерода (в виде графита под давлением свыше 100 атм) — около плюс 4000°С…

Дмитрий Иванович Менделеев первым предположил, что эта разница объясняется полимерным строением молекул углерода. Он писал: «Если бы углерод образовывал молекулу C₂, как и O₂, то был бы газом». И далее: «Способность атомов угля соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях. Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится С_п, где n есть большая величина».

Углерод и его полимеры

Это предположение подтвердилось в наше время. И графит, и алмаз — полимеры, состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.

По меткому замечанию профессора Ю.В. Ходакова, «если исходить из природы преодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести к химическим профессиям». Действительно, гранильщику приходится преодолевать не сравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химической связи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристалл алмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан» — это по существу одна молекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенного трехмерного полимера.

Иное    дело    графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двух направлениях — по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вот почему так просто — даже от соприкосновения с бумагой — расслаивается графит. В то же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьма сложно — здесь противодействует химическая связь.

Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах графита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз — изолятор. Графит совершенно не пропускает света — алмаз прозрачен. Какими бы способами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только CO₂. А окисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов, в частности графитовую (переменного состава) и меллитовую C₆(COOH)₆ кислоты. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляет лишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтому возможно или полное окисление или полное неокисление — третьего не дано…

Итак, есть «пространственный» полимер элементного углерода, есть «плоскостной». В принципе давно уже допускалось существование и «одномерного» — линейного полимера углерода, но в природе он не был найден.

Не был найден до поры до времени. Через несколько лет после синтеза линейный полимер углерода был найден в метеоритном кратере, на территории ФРГ. А получили его первыми советские химики В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Линейный полимер углерода назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. Открылись у карбина и вовсе неожиданные свойства. Оказалось, например, что кровь при контакте с ним не образует сгустков — тромбов, поэтому волокно с покрытием из карбина стали применять при изготовлении неотторгаемых организмом искусственных кровеносных сосудов.

По словам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы. В нем могли быть чередующиеся одинарные и тройные связи (—C = C—C=C —С=), а могли быть только двойные (=C=C=C=C=)… А могло быть и то и другое одновременно. Лишь через несколько лет Коршаку и Сладкову удалось доказать, что двойных связей в карбине нет. Однако, поскольку теория допускала существование углеродного линейного полимера только с двойными связями, была предпринята попытка получить эту разновидность — по существу, четвертую модификацию элементного углерода.

Углерод в минералах

Это вещество было получено в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новый линейный полимер углерода назвали поликумуленом. А сейчас известно не меньше восьми линейных полимеров углерода, отличающихся один от другого строением кристаллической решетки. В зарубежной литературе все их называют карбинами.

Этот элемент всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то — 4. В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами — наоборот. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе — его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.

Весьма немногочисленны соединения, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность, отличную от четырех. Общеизвестно лишь одно такое соединение — CO, угарный газ, в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что в действительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислорода соединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этого соединения пишут так: O+=C».

В 1900 г. М. Гомберг получил органическое соединение трифенилметил (C₆H₅)₃C. Казалось, что атом углерода здесь трехвалентен. Но позже выяснилось, что и на этот раз необычная валентность — сугубо формальная. Трифенилметил и его аналоги — это свободные радикалы, только в отличие от большинства радикалов достаточно стабильные.

…Исторически сложилось так, что лишь очень немногие соединения углерода остались «под крышей» неорганической химии. Это окислы углерода, карбиды — его соединения с металлами, а также бором и кремнием, карбонаты — соли слабейшей угольной кислоты, сероуглерод CS₂, цианистые соединения. Приходится утешаться тем, что, как это часто бывает (или бывало) на производстве, недоработку по номенклатуре компенсирует «вал». Действительно, наибольшая часть углерода земной коры содержится не в организмах растений и животных, не в угле, нефти и всей прочей органике, вместе взятой, а всего в двух неорганических соединениях — известняке CaCO₃ и доломите MgCa(CO₃)₂. Углерод входит в состав еще нескольких десятков минералов, достаточно вспомнить о мраморе CaCO₃ (с добавками), малахите Cu₂(OH)₂CO₃, минерале цинка смитсоните ZnCO₃… Есть углерод и в магматических породах, и в кристаллических сланцах.

Очень редки минералы, в состав которых входят карбиды. Как правило, это вещества особенно глубинного происхождения; поэтому ученые предполагают, что в ядре земного шара есть углерод.

Для химической промышленности углерод и его неорганические соединения представляют значительный интерес — чаще как сырье, реже как конструкционные материалы.

Многие аппараты химических производств, например теплообменники, изготавливают из графита. И это естественно: графит обладает большой термостойкостью и химической стойкостью и при этом прекрасно проводит тепло. Кстати, благодаря этим же свойствам графит стал важным материалом реактивной техники. Из графита сделаны рули, работающие непосредственно в пламени сопловых аппаратов. В воздухе воспламенить графит практически невозможно (даже в чистом кислороде сделать это непросто), а чтобы испарить графит, нужна температура, намного более высокая, чем развивающаяся даже в ракетном двигателе. И, кроме того, при нормальном давлении графит, как и гранит, не плавится.

Без графита трудно представить современное электрохимическое производство. Графитовые электроды используются не только электрометаллургами, но и химиками. Достаточно вспомнить, что в электролизерах, применяемых для получения каустической соды и хлора, аноды — графитовые.

Использование углерода

Об    использовании  соединений углерода    в химической промышленности написаны многие книги. Карбонат кальция, известняк, служит сырьем в производстве извести, цемента, карбида кальция. Другой минерал — доломит — «праотец» большой группы доломитовых огнеупоров. Карбонат и гидрокарбонат натрия — кальцинированная и питьевая сода. Одним из основных потребителей кальцинированной соды была и остается стекольная промышленность, на нужды которой идет примерно треть мирового производства Na₂CO₃.

И наконец, немного о карбидах. Обычно, когда говорят карбид, имеют в виду    карбид кальция    — источник    ацетилена,    а    следовательно, многочисленных продуктов органического синтеза. Но карбид кальция, хотя и самое известное, но далеко не единственное очень важное и нужное вещество этой группы. Карбид бора B₄C — важный материал атомной

техники^, карбид кремния SiC или карборунд — важнейший абразивный материал. Карбидам многих металлов свойственны высокая химическая стойкость и исключительная твердость; карборунд, к примеру, лишь немного уступает алмазу. Его твердость по шкале Mooca равна 9,5—9,75 (алмаза — 10). Но карборунд дешевле алмаза. Его получают в электрических печах при температуре около 2000°С из смеси кокса и кварцевого песка.

По словам известного советского ученого академика И.Л. Кнунянца, органическую химию можно рассматривать как своеобразный мост, перекинутый наукой от неживой природы к высшей ее форме — жизни. А всего полтора столетия назад лучшие химики того времени сами считали и учили своих последователей, что органическая химия это наука о веществах, образующихся при участии и под руководством некоей странной «материи» — жизненной силы. Но скоро эту силу отправили на свалку естествознания. Синтезы нескольких органических веществ — мочевины, уксусной кислоты, жиров, сахароподобных веществ — сделали ее попросту ненужной.

Появилось классическое определение К. Шорлеммера, не потерявшее смысла и 100 лет спустя: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, то есть продуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группами атомов».

Итак, органика — это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединений этого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы и подгруппы — на самостоятельные науки. Из органики вышли, от органики отпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологически активных и лекарственных соединений…

Сейчас известны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и около ста тысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно, что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод — одиннадцатый по распространенности на Земле элемент — взял на себя труднейшую задачу быть основой всего живого?

Ответ на этот вопрос неоднозначен. Во-первых, «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Во-вторых, углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами. В-третьих, связь атомов углерода между собой, так же как и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: из атмосферы — в растения, из растений — в животные организмы, из живого — в мертвое,

из мертвого — в живое…

Четыре валентности атома углерода — как четыре руки. А если соединились два таких атома, то «рук» становится уже шесть. Или — четыре, если на образование пары затрачено по два электрона (двойная связь). Или — всего две, если связь, как в ацетилене, тройная. Но эти связи (их называют ненасыщенными) подобны бомбе в кармане или джину в бутылке. Они скрыты до поры до времени, но в нужный момент вырываются на волю, чтобы взять свое в бурной, азартной игре химических взаимодействий и превращений. Самые разнообразные конструкции образуются в результате этих «игрищ», если в них участвует углерод. В редакции «Детской энциклопедии» подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366 319 различных углеводородов, 366 319 веществ состава С₂₀Н42. А если в «игре» не шесть десятков участников, а несколько тысяч; если среди них представители не двух «команд», а, скажем, восьми!

Где углерод, там многообразие. Где углерод, там сложности. И самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане CH₃—CH₂—CH₂—CH₃ или полиэтилене —CH₂—CH₂—CH₂— CH₂-, и разветвленные структуры простейшая из них — изобутан.