УГЛЕРОД (лат. Carboneum) С - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 6, атомная масса 12,011. Обычными формами существования элемента У. в свободном состоянии являются два простых тела: алмаз и графит различающиеся по кристаллическому строению и свойствам. Без преувеличения можно назвать У. одним из самых важных элементов периодической системы: ведь его органические соединения служат основным строительным материалом для создания всего живого на Земле.

Углерод в природе. На долю У. приходится около 2,3^.10^-2 % от массы земной коры, где по содержанию он занимает лишь 17-е место среди других элементов. Главные углеродсодержащие минералы - природные карбонаты; количество У. в них оценивается в 9,6^.10¹⁶ т. Много У. (около 10¹³ т) сосредоточено в горючих ископаемых (каменных и бурых углях, нефти, торфе, горючих сланцах, природных горючих газах), образующих мощные скопления в недрах Земли. Они являются в основном продуктами разложения растений, существовав­ших на нашей планете в давно минувшие времена.

Свободный У. встречается в природе в виде алмаза и графита. Близки по составу к чистому У. некоторые каменные угли, антрациты, содержащие иногда до 98 % С. Алмазы чрез­вычайно редки. Даже алмазоносные породы (кимберлиты) содержат не более 0,00009 % алмазов. Обычная масса кристаллов алмаза 0,2-0,4 г. Крупные алмазы очень дороги; и если такой алмаз находят, ему присваивают особое название. Самый большой из всех известных до сих пор - «Куллинан». Его нашли в Южной Африке. Он весил 621,2 г при размерах 10х6,5х5 см. В Алмазном фонде СССР хранится один из самых больших и красивых алмазов в мире - «Орлов» (37,92 г). Наиболее значительные месторождения алмазов находятся в СССР (Якутия, Урал), Африке, Бразилии. Графит образует скопление плотных чешуйчатых масс, загрязнённых минеральными примесями. В СССР залежи графита находятся на Украине, в Амурской области, Крыму и других местах.

Все живые организмы, составляющие биосферу, построены из соединений У. и в среднем содержат 18% его по массе. Общее же количество У. в них составляет 10¹² т. Содержание У. в разных организмах может быть весьма различным.

В виде углекислого газа СO₂ У. входит в состав атмосферы Земли. Содержание СO₂ в атмосфере равно 0,03 % по объёму, что при пересчёте на общую массу У. даёт громадное число - 6^.10¹¹ т! В водной оболочке, покрывающей большую часть земной коры, - гидросфере - растворено в 60 раз больше СO₂, чем его находится в атмосфере.

Углекислый газ служит основным источником У. для растений. Необходимые органические вещества (углеводы, белки, жиры) растения синтезируют из углекислого газа, воды и минеральных солей с помощью энергии солнечного света. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные же получают У., употребляя в пищу растения.

Ежегодно растительный мир суши и океана забирает для своих нужд из воздуха и воды около 10¹⁰ т У. Однако атмосфера заметно не обедняется У. благодаря тому, что на Земле происходит беспрерывное выделение углекисло­го газа при дыхании животных и человека, при гниении органических остатков, брожении, извержении вулканов. Большое количество У. возвращается в атмосферу вследствие деятельности человека - работы машин, фабрик, заводов. В результате в природе идёт постоянный круговорот углерода.

У. распространён не только на Земле, но и на других космических телах. Простейшие соединения У. (углекислый газ, метан) обнаружены в атмосфере почти всех планет солнечной системы, причём общая масса У. на них больше массы Земли. Так, по данным, полученным с помощью автоматических межпланетных станций, атмосфера Марса состоит в основном из СO₂. В атмосфере Солнца У. - 11-й в списке элементов. Спектроскопически присутствие У. и его соединений установлено на далёких звёздах, в кометах и туманностях. Органические вещества, графит и даже алмазы содержатся в некоторых метеоритах.

Одним словом, У. во Вселенной достаточно, чтобы создать «углеродную жизнь» не только в родном нам мире!

Историческая справка. У. - один из немногих элементов, имя первооткрывателя которого неизвестно. Алмаз и графит, не говоря уже об угле, знакомы человечеству с древнейших времён. Замечательные свойства алмаза - его необыкновенно высокая твёрдость и красота - издавна служили богатой пищей для фантастических сказок и суеверных измышлений. Своё название алмаз получил от арабского слова «алмас» (твердейший) или от греческого «адамас» (непобедимый, несокрушимый).

Долгое время оставалось непонятным, «из чего же состоит алмаз». Первый шаг к выяснению природы алмаза был сделан в 1694 г., когда флорентийские учёные, пытаясь сплавить несколько мелких алмазов в один крупный, нагрели их солнечными лучами при помощи зажигательного стекла. К своему удивлению, флорентийцы обнаружили, что алмазы исчезли, сгорев на воздухе. Затем знаменитый французский химик А. Лавуазье в 1772 г. показал, что при сгорании алмаза образуется углекислый газ. Окончательно состав алмаза установил в 1797 г. английский химик С. Теннант. Он нашёл, что объёмы углекислого газа, образующегося при сгорании одинаковых количеств алмаза и угля, равны. Это бесспорно доказало химическое тождество обоих веществ.

Графит был известен в древности, но вплоть до 1780-х гг. его считали разновидностью других, близких по внешнему виду минералов. Во второй половине XVI в. из графита начали делать стержни для карандашей (отсюда происходит и название минерала, от греческого «графо» - пишу).

В 1778 г. шведский химик К. Шееле нашёл, что графит при сильном нагревании с расплавленной селитрой сгорает, образуя углекислый газ. Так было показано тождество химической природы столь не похожих друг на друга веществ - угля, графита и алмаза.

Атом углерода. У. имеет два устойчивых изотопа: ¹²С и ¹³С, среднее содержание которых составляет 98,892 % и 1,108 % от общего числа атомов У. на Земле. Таким образом, в природной смеси изотопов У. резко, преобладает более лёгкий ¹²С, ядро атома которого состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Очень важен радиоактивный изотоп У. ¹⁴С, испускающий β^--частицы и имеющий период полураспада T_½ = 5570 лет. Открытие этого изотопа имело чрезвычайно важные последствия для развития археологии, геологии, палеонтологии и истории! Недаром говорят, что все науки связаны между собой и зависят друг от друга. С помощью ¹⁴С учёные смогли довольно точно определять возраст углеродсодержащих пород, стоянок древнего человека, его утвари, остатков животных и растений, давно исчезнувших с лица Земли.

Изотоп ¹⁴С постоянно образуется в верхних слоях атмосферы из изотопа азота ¹⁴N под действием нейтронов космического излучения. Его очень мало - на каждый миллион молекул атмосферного СO₂ приходится лишь один атом ¹⁴С. Но так как интенсивность космического излучения остаётся всё время постоянной, то и концентрация ¹⁴С в воздухе не меняется (убыль ядер.¹⁴С за счёт радиоактивного распада компенсируется вновь образующимися ядрами). Из воздуха в результате фотосинтеза ¹⁴С постоянно поступает в растения, причём концентрация изотопа ¹⁴С среди изотопов углерода во всём живом на планете также постоянна. Как только растение погибает, усвоение У. из воздуха прекращается и количество ¹⁴С в остатках начинает уменьшаться в соответствии с законом радиоактивного распада (через каждые 5570 лет число атомов ¹⁴С уменьшается вдвое). Таким образом, определив радиоактивность неживого органического вещества и сравнив её с радиоактивностью такого же количества органического вещества живого растения, можно рассчитать время, в течение которого происходил распад ¹⁴С. Иными словами - узнать возраст находки.

Атомный номер У. равен 6, то есть его атом имеет шесть электронов, два из которых при­надлежат внутренней, а четыре - внешней электронной оболочке (полная электронная конфигурация 1s²2s²2p², наружной оболочки - 2s²2p²). Образование ионных связей для У. нехарактерно. Только в соединениях с наиболее активными металлами, легко отдающими электроны, степень окисления У. может быть равна -4 (например, в карбиде алюминия А1₄С₃). С подавляющим большинством элементов У. даёт прочные ковалентные связи, в которых для образования электронных пар используются все 4 электрона внешней оболочки. Обычно валентность У. равна IV.

Известны также немногочисленные соединения У., где он формально двухвалентен, на­пример окись углерода СО (строение молекулы СО обсуждено в статье Углерода окись). Замечательной особенностью является способность атомов С соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей. Концы цепей могут замыкаться. В таком случае возникают циклы из атомов С. По словам Д. И. Менделеева, «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Это служит причиной того, что соединения У. разнообразны как ни у одного другого элемента. Их изучение – область органической химии. Сейчас известно около 3 миллионов органических соединений (соединений У.) и всего лишь около 60 тысяч соединений всех остальных элементов.

Физические свойства. Различие аллотропных форм У. - графита и алмаза - является ярчайшим примером влияния кристаллического строения твёрдых тел на их физические свойства. В графите атомы С располагаются параллельными слоями. При этом атомы внутри слоя связаны между собой сильнее, чем один слой с другим. Графит можно рассматривать как скопление плоских полимерных молекул, состоящих из атомов С и непрочно наслоенных одна на другую. В кристалле алмаза все атомы С соединены между собой очень прочными связями и образуют в пространстве непрерывный трёхмерный каркас. Весь кристалл представляет собой как бы одну гигантскую полимерную молекулу У., не имеющую «слабых мест», так как прочность всех связей одинакова. Особенности структуры определяют основные физические свойства алмаза и графита.

Если алмаз представляет собой бесцветные, прозрачные, сильно преломляющие свет кристаллы и является самым твёрдым из всех найденных в природе веществ, то графит - серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь чешуйчатая масса с металлическим блеском, по твёрдости уступающая даже бумаге.

Плотность алмаза при 20 °С равна 3,515 г/см³, графита - 2,265 г/см³. Физические свойства кристалла алмаза (твёрдость, электропроводность, теплопроводность, коэффициент расши­рения и другие) практически одинаковы по всем направлениям. В графите же эти свойства по разным направлениям - перпендикулярному или параллельному слоям атомов С - сильно различаются. По электрическим свойствам алмазизолятор; графит проводит электрический ток, но не так хорошо, как металлы.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000 °С превращается в графит. Графит при постоянном нагревании в тех же условиях не претерпевает никаких изменений вплоть до 3700 °С, когда он возгоняется, не плавясь. Жидкий У. можно получить только при одновременном действии очень высокой температуры (больше 3700 °С) и давления (больше 105 атм).

У. обладает ещё одной - третьей аллотропной формой, называемой карбином, не встречающейся в природе. Карбин - мелкокристаллический порошок чёрного цвета; в его кристаллической структуре длинные цепочки атомов С (громадные линейные молекулы) уложены параллельно друг другу.

Раньше считали, что древесный уголь, сажа и кокс, близкие по составу чистому У. и отличающиеся по свойствам от алмаза и графита, представляют собой самостоятельную аллотропную форму У., так называемый аморфный углерод. Сейчас с помощью рентгеновских лучей установлено, что эти вещества имеют не аморфную, а кристаллическую природу. Они состоят из очень мелких кристаллических частичек, в которых атомы С расположены так же, как в графите. Однако по традиции до сих пор часто говорят об «аморфном» углероде. Некоторые разновидности «аморфного» У. (например, древесный уголь) проявляют сильные адсорбционные свойства, то есть обладают способностью поглощать своей поверхностью значительные количества различных веществ. Такой уголь называют активным.

Химические свойства. При комнатной темпе­ратуре У. во всех формах химически инертен, однако при сильном нагревании взаимодействует со многими элементами. Как и следует ожидать, исходя из строения различных форм У., легче всего вступает в реакции «аморфный» У., труднее - графит, наиболее химически устойчив алмаз. При нагревании на воздухе «аморфный» У. загорается при температурах 300-500 °С, графит - при 600-700° С, а алмаз - только при 850-1000° С. При избытке воздуха образуется двуокись У.:

C + O₂ = CO₂

При недостатке воздуха продуктом реакции является окись У.:

2С + O₂ = 2СО

Обе реакции сильно экзотермичны, то есть протекают с освобождением большого количества энергии, выделяющейся в виде тепла и света.

Взаимодействие «аморфного» У. и графита с водородом идёт очень медленно даже при высоких температурах. Ускорить реакцию можно с помощью катализаторов, в частности металлов Ni или Pt. Интересно, что в зависимости от температуры получаются разные продукты. Так, при 600-1000°С в присутствии катализаторов образуется преимущественно метан:

С + 2Н₂ = СН₄

а при более высоких температурах (1500-2000°С) - ацетилен:

2С + H₂ = С₂Н₂

В продуктах взаимодействия У. с водородом при определённых температурах и давлениях могут присутствовать также и другие углеводороды, например этан С₂Н₆ и бензол С₆Н_в. Алмаз с водородом не реагирует.

Сера непосредственно соединяется с «аморфным» У. и графитом при 700-800 °С, а с алмазом при 900-1000°С. Продукт реакции - сероуглерод:

С + 2S = CS₂

С азотом У. соединяется только при пропускании электрического разряда между электродами, сделанными из угля или графита и находящимися в атмосфере азота. При этом обра­зуется  циан:

2C + N₂ = C₂N₂

Фтор не реагирует с алмазом. Взаимодействие фтора с графитом начинается выше 900 °С, с «аморфным» У. - при комнатной температуре (с образованием CF₄ и др). Многие металлы соединяются с У. при очень высоких температурах, давая карбиды.

В многочисленных реакциях с химическими соединениями У. проявляет сильные восстановительные свойства. Большой интерес представляет его взаимодействие с водяным паром и углекислым газом:

С + Н₂O = СО + Н₂ (выше 800 °С)

С + СO₂ = 2СО (выше 600 °С)

Образующиеся газообразные продукты хорошо горят, и эти реакции лежат в основе газификации твердого топлива - перевода каменного или древесного угля в так называемые водяной и генераторный газы. По реакции У. с водой получают также водород, идущий на синтез аммиака. Столь важными для промышленности оказываются эти - простые с виду - химические реакции.

Особенно ярко восстановительные свойства У. проявляются при взаимодействии с окислами металлов, например:

ZnO + C = Zn + CO (при 1200 °С)

Аналогичным образом У. при высоких температурах восстанавливает до свободных металлов окислы кадмия, меди, свинца, сурьмы. А в иных случаях по реакции У. с окислами металлов (например, кальция, ванадия, тантала) образуются карбиды.

Любые формы У. устойчивы по отношению к щелочам даже при длительном нагревании. Холодные концентрированные кислоты тоже не действуют на У., но при нагревании выше 100°С концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ мед­ленно окисляют «аморфный» У. (но не графит или алмаз). Широко известны и такие неорганические соединения У., как карбонаты - соли угольной кислоты Н₂СO₃ и цианиды - соли цианистоводородной, или синильной, кислоты HCN.

Получение. Большую часть алмазов и графита пока получают переработкой природного сырья. Процесс добывания алмазов требует очень больших усилий - для получения 1 г алмазов нужно переработать в среднем 20 т алмазоносной породы. Извлечённую из недр Земли породу сначала тщательно измельчают и затем промывают. При этом относительно тяжёлые камни, содержащие алмазы, отделяются от лёгких глинистых минералов, составляющих 98 % первоначального веса породы. Из тяжёлого остатка алмазы извлекают, например, с помощью специального жирового состава (напоминающего вазелин). Алмазы прилипают к нему, а все остальные камни - нет. Для окончательной очистки алмазы промывают в кислотах и щелочах.

С тех пор как было установлено, что алмаз, графит и уголь имеют один и тот же химический состав, учёные неоднократно пытались превратить невзрачный уголь или графит в блистающие алмазы. Сделать это удалось только в 1955 г. Сейчас производство искусственных алмазов налажено и в нашей стране, и за рубежом. Графит или другие богатые углеродом материалы нагревают до температур выше 1200 °С под давлением больше 50 тысяч атм в присутствии катализаторов (железо, никель, хром и другие металлы). Вес искусственных алмазов не больше 0,2 г; обычно они сильно окрашены примесями.

Главная проблема при получении чистого графита из природных залежей заключается в отделении графита от других минералов, с которыми он очень тесно срастается. В зависимости от вида руды и от крупности включений графита в породе после измельчения сырья используются разные методы обогащения, например флотация. А затем обогащенный продукт многократно обрабатывают концентрированными кислотами (соляной и фтористоводо­родной) и нагревают его в электрической печи при температуре 2200 °С. Так и получают чистый графит.

В отличие от алмазов, графит, производящийся сейчас искусственно, часто превосходит естественный по чистоте и однородности. Готовится искусственный графит нагреванием спрессованной смеси кокса или антрацита с каменноугольной смолой в электрических печах при 2200-3000 °С. Большое применение находит пирографит, отличающийся высокой прочностью. Его получают при высокотемпературном разложении (пиролизе) углеводородов.

Промышленность производит также продукты, близкие по составу к чистому У. и являющиеся «аморфным» У. по строению. Так, кокс получают при нагревании некоторых сортов каменного угля или твёрдых остатков, образующихся при переработке нефти, до высокой температуры без доступа воздуха. Для производства сажи обычно сжигают природный газ при недостатке воздуха. Сажа оседает на металлических листах, с которых её собирают. Нагреванием древесины без доступа воздуха получают высококачественный древесный уголь. Изготовляют и пористый активный уголь, обладающий повышенной способностью к адсорбции. Для этого древесные или ископаемые угли обрабатывают перегретым водяным паром или двуокисью углерода при высоких температурах. При этом из углей удаляются смолистые вещества и увеличивается их пористость.

Применение. Если раньше алмаз ценили прежде всего как драгоценный камень, то сейчас - это важнейший, часто незаменимый, технический материал. Только наиболее крупные и прозрачные алмазы используют для украшений. После огранки и шлифовки они превращаются в бриллианты. Применение алмазов в технике связано прежде всего с их уникальной твёрдостью. С помощью алмазов бурят горные породы, режут, сверлят, шлифуют и гравируют стекло и другие особо твёрдые материалы. Алмазные резцы позволяют обрабатывать детали и инструменты с очень большой точностью.

Область применения графита чрезвычайно широка. Высокая жаропрочность, стойкость к химическим воздействиям, хорошая электропроводность делают графит ценнейшим материалом для современной промышленности. Из него изготовляют литейные формы, плавильные тигли и другие огнеупорные изделия. Искусственным графитом и пирографитом покрывают камеры сгорания и сопла реактивных двигателей (изнутри), а также рули космических ракет. Многие производства невозможны без химически устойчивых графитовых труб или аппаратов, выложенных изнутри графитовыми плитами. Значительные количества графита потребляет электротехническая промышленность для изготовления электродов, гальванических элементов и аккумуляторов, контактов электрических машин и нагревателей для электропечей. Очень чистый графит применяют в ядерных реакторах для замедления нейтронов. Смешанный с маслом графит служит прекрасным смазочным материалом. Жива и самая древняя «профессия» графита - из него делают стержни карандашей и некоторые краски.

Кокс применяется главным образом при выплавке чугуна из руд в доменных печах, где он одновременно выполняет роль топлива и восстановителя. Около 90 % получаемой сажи идёт на нужды резиновой промышленности - добавки сажи повышают прочность и увеличивают срок службы резиновых изделий. Кроме того, из сажи приготовляют некоторые чёрные краски и лаки. Активный уголь нужен для поглощения вредных веществ из газов и жидкостей: им заполняют противогазы, с его помощью очищают жидкости от пахучих и красящих веществ. На адсорбционных свойствах активного угля основано и его применение в медицине.

Когда говорят о химии У., и его соединений, часто имеют в виду только органическую химию. Но не нужно забывать, что и чистый У. и его неорганические соединения имеют первостепенное значение для науки и народного хозяйства.