Углерод

Углерод — элемент, на котором держится вся органическая химия и вся известная жизнь. Уникальным его делает не распространённость: в земной коре его меньше процента. Уникальна способность его атомов соединяться друг с другом в цепи, кольца и разветвлённые каркасы практически без ограничения длины.

Соединений углерода известно больше, чем соединений всех остальных элементов вместе взятых, и счёт идёт на десятки миллионов.

В связанном виде — в карбонатах (известняк, мел, мрамор — это CaCO₃), в углекислом газе атмосферы, в растворённом виде в океане, в нефти, газе, угле и во всём живом.

В свободном виде углерод существует в нескольких формах, и разница между ними — учебный пример того, как строение определяет свойства:

• Алмаз — каждый атом связан с четырьмя соседями в жёсткий трёхмерный каркас. Отсюда рекордная твёрдость и прозрачность.
• Графит — атомы связаны в плоские слои, слои держатся друг за друга слабо и легко скользят. Отсюда мягкость, металлический блеск и электропроводность.
• Фуллерены и нанотрубки — замкнутые каркасы и свёрнутые слои, открытые в конце XX века.
• Графен — один слой графита, за выделение которого дали Нобелевскую премию 2010 года.

Все они состоят из одних и тех же атомов.

Углерод в виде угля и сажи человек использовал раньше, чем начал писать, поэтому даты открытия у него нет. Существенным было другое открытие: что алмаз и графит — одно и то же вещество.

В 1772 году Лавуазье сжёг алмаз в фокусе линзы и обнаружил, что образуется тот же газ, что и при сжигании угля. В 1797 году Смитсон Теннант довёл доказательство до конца, показав, что из равных масс алмаза и графита получается равное количество углекислого газа.

Углерод стоит посреди второго периода, и это ключ к его поведению. Ему одинаково трудно и отдать четыре электрона, и принять четыре, поэтому он их обобществляет — образует четыре прочные ковалентные связи.

Связь углерод — углерод по прочности сравнима со связью углерод — кислород, и это редкость: у большинства элементов связь с самим собой заметно слабее. Именно поэтому длинные углеродные цепи устойчивы, а длинные цепи, скажем, из атомов кремния — нет.

Углерод образует одинарные, двойные и тройные связи, а в ароматических системах — делокализованные. Из этого небольшого набора и вырастает всё разнообразие органики.

Металлургия: кокс восстанавливает железо из руды, а содержание углерода в стали определяет её твёрдость. Энергетика: уголь, нефть и газ пока дают большую часть мировой энергии. Материалы: углеродное волокно, графитовые электроды, активированный уголь, технический углерод в шинах.

Отдельная область — радиоуглеродное датирование. Изотоп ¹⁴C непрерывно образуется в атмосфере под действием космических лучей и с постоянной скоростью распадается в организме после его смерти; по остаточному содержанию определяют возраст органических находок до примерно 50 тысяч лет.