Углерод!

Наиболее важным соединением, необходимым для поддержания жизни, является углерод, удивительный элемент, который существует естественным образом в виде углерода-12, который составляет почти 99% углерода во Вселенной, а также изотоп углерод-13, который составляет примерно 1% и углерод-14, который составляет незначительную долю общего углерода.

Углерод является одним из немногих элементов, который был известен с древности. Углерод происходит от латинского слова «carbo», что означает «уголь». Это химический элемент с атомным номером 6, обозначаемый символом C. Он четырёхвалентный и является неметаллом, то есть может образовывать ковалентные химические связи с четырьмя электронами.

Углерод относится к периодической группе 14 в периодической таблице, и на его долю приходится всего около 0,025% земной коры. Природные изотопы 12C и 13C стабильны, а 14C радиоактивен, и его период полураспада составляет около 5730 лет.

История

Углерод встречается в природе в виде антрацита (разновидность угля), графита и алмаза. Исторически более доступным был сажа или древесный уголь. В конечном счёте, эти различные материалы были признаны формами одного и того же элемента. Неудивительно, что алмаз представлял наибольшую трудность для идентификации. Натуралист Джузеппе Аверани и медик Сиприано Тарджони из Флоренции были первыми, кто обнаружил, что алмазы могут быть разрушены при нагревании. В 1694 году они сфокусировали солнечный свет на алмазе с помощью большого увеличительного стекла, и драгоценный камень в конечном итоге исчез. Пьер-Жозеф Маккер и Годфруа де Вильтанёз повторили эксперимент в 1771 году. Затем, в 1796 году, английский химик Смитсон Теннант, наконец доказал, что алмаз был просто формой углерода, показав, что при горении он образует только углекислый газ CO2.

На сегодняшний день существует ряд чистых форм этого элемента, включая графит, алмаз, фуллерены и графен. Алмаз представляет собой бесцветное, прозрачное, кристаллическое твёрдое вещество и самый твёрдый из известных материалов. Графит чёрный и блестящий, но мягкий. Наноформы*, фуллерены и графен выглядят как чёрные или тёмно-коричневые порошки, похожие на сажу.

Свойства углерода

Плотность углерода колеблется от 2,25 г/см³ (1,30 унции/дюйм³) для графита и 3,51 г/см³ (2,03 унции/дюйм³) для алмаза. Температура плавления графита составляет 3500ºC (6332ºF), а экстраполированная* температура кипения составляет 4830ºC (8726ºF). Элементарный углерод представляет собой инертное вещество, нерастворимое в воде, разбавленных кислотах и основаниях, а также органических растворителях. При высоких температурах он связывается с кислородом с образованием окиси или диоксида углерода. С горячими окислителями*, такими как азотная кислота и нитрат калия, образуется метиловая кислота C6(CO2H)6. Среди галогенов только фтор вступает в реакцию с элементарным углеродом. Большое количество металлов соединяется с элементом при высоких температурах с образованием карбидов.

Он образует три газообразных компонента с кислородом: окись углерода, CO, углекислый газ, CO2, и субоксид углерода, С3O2. Два первых являются наиболее важными с промышленной точки зрения. Углерод образует соединения с галогенами с CX4 в качестве общей формулы, где X - фтор, хлор, бром или йод. При температуре окружающей среды тетрафторид углерода представляет собой газ, тетрахлорид - жидкость, а два других соединения - твёрдые вещества. Мы также знаем смешанные тетрагалогениды углерода. Наиболее важным из них может быть дихлордифторметан, CCl2F2, называемый фреоном.

Углерод создает узоры. Он может связываться сам с собой, производя длинные, прочные цепи, известные как полимеры. Из-за своей электронной конфигурации он также может образовывать связи с четырьмя дополнительными атомами. Атомы структурированы в ядре, окружённом электронным облаком, причем электроны вращаются на разных расстояниях от ядра. Химики думают об этих расстояниях как об оболочках, а характеристики атомов определяются тем, что находится в каждой оболочке.

Применение углерода

Углерод уникален среди элементов своей способностью образовывать прочно связанные цепи, запечатанные атомами водорода. Эти углеводороды, добываемые естественным путем в качестве ископаемого топлива (уголь, нефть и природный газ), в основном используются в качестве топлива. Небольшая, но важная фракция используется в качестве сырья для нефтехимической промышленности, производящей полимеры, волокна, краски, растворители, пластмассы и т. д.
Нечистый углерод в виде древесного угля (из древесины) и кокса (из угля) используется при выплавке металла. Это особенно важно в чёрной металлургии.
Графит используется для изготовления кистей в электродвигателях и в футеровке печей. Активированный уголь используется для очистки и фильтрации. Он содержится в респираторах и кухонных вытяжках.
Углеродное волокно находит множество применений в качестве очень прочного, но лёгкого материала. В настоящее время он используется в теннисных ракетках, лыжах, удочках, ракетах и самолетах.
Промышленные алмазы используются для резки горных пород и бурения. Алмазные плёнки используются для защиты таких поверхностей, как бритвенные лезвия.

Соединения углерода применяются в различных отраслях промышленности. К примеру, углекислый газ СО2 используется в газировании напитков, в огнетушителях, а в твёрдом состоянии - в качестве охладителя (сухой лёд). Окись углерода используется в качестве восстановителя во многих металлургических процессах. Четыреххлористый углерод и сероуглерод являются важными промышленными растворителями. Фреон используется в системах охлаждения. Карбид кальция СаС2 используется для получения ацетилена; он используется для сварки и резки металлов, а также для получения других органических соединений. Другие карбиды металлов имеют важное применение в качестве термостойких и металлорежущих материалов.

Свободный элемент также имеет множество применений, в том числе для украшения бриллиантов в ювелирных изделиях или пигмента чёрного дыма в автомобильных дисках и чернилах принтера. Другая углеродная форма, графит, используется для высокотемпературных тиглей*, электродов с сухими ячейками* и лёгких дуг, для карандашей и в качестве смазки. Растительный углерод (аморфная форма углерода) используется в качестве газового абсорбента* и отбеливателя.

А недавнее открытие углеродных нанотрубок, других фуллеренов и тонких атомных листов графена произвело революцию в аппаратных разработках в электронной промышленности и в нанотехнологиях в целом.

150 лет назад естественная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляла 280 ppm*. В 2013 году в результате сжигания ископаемого топлива с кислородом было 390 частей на миллион. Атмосферный углекислый газ пропускает видимый свет, но препятствует выходу инфракрасного излучения (естественный парниковый эффект). Это сохраняет Землю достаточно тёплой, чтобы поддерживать жизнь. Тем не менее, усиливается парниковый эффект из-за антропогенного повышения содержания углекислого газа в атмосфере. Это влияет на живых существ по мере изменения нашего климата.

Углерод в окружающей среде

Углерод и его компоненты широко распространены в природе. По оценкам, углерод составляет 0,032% земной коры. Свободный углерод содержится в больших резервуарах, таких как каменный уголь, аморфная форма элемента с другими сложными соединениями углерод-водород-азот.

Ни один элемент не является более важным для жизни, чем углерод, потому что только углерод образует прочные одиночные связи с самим собой, которые достаточно стабильны, чтобы противостоять химическому воздействию в условиях окружающей среды. Это дает углероду способность образовывать длинные цепочки и кольца атомов, которые являются структурной основой для многих соединений, составляющих живую клетку, из которых наиболее важной является ДНК.

Большое количество углерода содержится в виде соединений. Углерод присутствует в атмосфере в виде углекислого газа в объёме 0,03%. Некоторые минералы, такие как известняк, доломит, гипс и мрамор, содержат карбонаты. Все растения и животные образованы сложными органическими соединениями, где углерод соединяется с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Останки растений и животных образуют отложения: нефти, асфальта и битума*. Месторождения природного газа содержат соединения, образованные углеродом и водородом.

Воздействие углерода на здоровье

Элементарный углерод имеет очень низкую токсичность. Представленные здесь данные об опасности для здоровья основаны на воздействии технического углерода, а не элементарного углерода. Хроническое вдыхание технического углерода может привести к временному или постоянному повреждению лёгких и сердца.

Пневмокониоз* был обнаружен у рабочих, занятых на производстве технического углерода. Кожные заболевания, такие как воспаление волосяных фолликулов и поражения слизистой оболочки полости рта, также были зарегистрированы в результате воздействия на кожу.

По уровню канцерогенности технический углерод был включен в список Международного агентства по изучению рака (IARC) в группе 3 (агент не классифицируется по его канцерогенности для человека).

Некоторые простые соединения углерода могут быть очень токсичными, например, окись углерода (CO) или цианид (CN-).

Углерод-14 является одним из радионуклидов, участвующих в атмосферных испытаниях ядерного оружия, которые начались в 1945 году в США и закончились в 1980 году испытанием в Китае. Он входит в число долгоживущих радионуклидов, вызывающих повышенный риск развития рака в течение десятилетий и столетий. Он также может проникать через плаценту, органически связываться в развивающихся клетках и, следовательно, подвергать опасности плод.

Большая часть того, что мы едим, состоит из соединений углерода, что дает общее потребление углерода в 300 г / день. Пищеварение состоит из расщепления этих соединений на молекулы, которые могут быть адсорбированы на стенке желудка или кишечника. Там они перемещаются кровью в места, где они используются или окисляются для высвобождения содержащейся в них энергии.

Воздействие углерода на окружающую среду

О каких-либо негативных последствиях для окружающей среды не сообщалось.

Почему углерода так много в живых организмах, когда кислород является самым распространенным элементом на Земле?

Почему углерод является основой жизни?

Использование углерода в организме человека

• Углерод в виде углеводов служит макроэлементом. Это подтверждается тем фактом, что каждая часть тела требует и содержит значительное количество углерода.
• В медицине активированный уголь может поглощать различные газы и яды, вырабатываемые человеческим организмом.

Биологическая роль
Живые организмы получают почти весь свой углерод из углекислого газа, либо из атмосферы, либо растворённого в воде. Фотосинтез зелёными растениями и фотосинтезирующим планктоном использует энергию солнца для расщепления воды на кислород и водород. Кислород выбрасывается в атмосферу, пресную воду и моря, а водород соединяется с углекислым газом для производства углеводов.
Некоторые углеводы используются, наряду с азотом, фосфором и другими элементами, для образования других мономерных молекул* жизни. К ним относятся основания и сахара для РНК* и ДНК*, а также аминокислоты для белков.
Живые существа, которые не фотосинтезируют, должны полагаться на потребление других живых существ в качестве источника молекул углерода. Их пищеварительная система расщепляет углеводы на мономеры, которые они могут использовать для построения собственных клеточных структур. Дыхание обеспечивает энергию, необходимую для этих реакций. При дыхании кислород присоединяется к углеводам, снова образуя углекислый газ и воду. Энергия, высвобождаемая в этой реакции, становится доступной для клеток.

Углерод как основа биологических молекул:

• Хотя клетки на 70–95% состоят из воды, остальная часть состоит в основном из соединений на основе углерода.
• Углерод попадает в биосферу, когда фотосинтезирующие организмы используют энергию Солнца для преобразования CO2 преобразуется в органические молекулы, которые передаются первичным потребителям.
• Углерод отвечает за разнообразие биологических молекул, что сделало возможным широкое разнообразие живых существ.
• Белки, ДНК, углеводы и другие молекулы позволяют отличать живую материю от неорганической.
• Другие элементы, с которыми соединяется углерод, обычно включают водород (H), кислород (O), азот (N), сера (S) и фосфор (P).

Основные её тезисы:

• Органическая химия фокусируется на органических соединениях, содержащих углерод.
• Органические соединения могут варьироваться от простых молекул, таких как CH4, до сложных молекул, таких как белки, которые могут иметь большую молекулярную массу более 100 000 дальтон.
• Большинство органических соединений содержат атомы водорода.
• Общее процентное содержание основных элементов жизни (C, H, O, N, S и P) довольно однородно.
• Благодаря универсальности углерода эти несколько элементов можно объединить, чтобы создать неисчерпаемый источник энергии.

Разнообразие органических молекул
Отличительные свойства органической молекулы зависят не только от расположения её углеродного скелета, но также и от химических групп, присоединённых к этому скелету. Если мы начнём с углеводородов как простейших органических молекул, характерные химические группы может заменить один или несколько атомов водорода, связанных с углеродным скелетом углеводорода. Эти химические группы могут участвовать в химических реакциях или способствовать формированию и изменению функции органической молекулы характерным образом, придавая ей уникальные свойства.

В качестве примера можно привести базовую структуру тестостерона (мужского полового гормона) и эстрадиола (женского полового гормона). Оба являются стероидами с четырьмя сросшимися углеродными кольцами, но гормоны различаются по химическим группам, присоединённым к кольцам. В результате тестостерон и эстрадиол имеют разные формы, что приводит к их взаимодействию по-разному со многими целями по всему телу.

В других случаях химические группы, известные как функциональные группы, влияют на молекулярные функции посредством их участия в химических реакциях.

Семь химических групп наиболее важны для химии жизни: гидроксильная, карбонильная, карбоксильная, амино-, сульфгидрильные, фосфатные и метильные группы. Первые шесть химических групп являются функциональными. Они гидрофильны* и повышают растворимость органических соединений в воде.

Итак, 7 групп молекул:

• Метильные группы не являются реакционноспособными, но могут служить важными маркерами органических молекул.
• В гидроксильной группе (—OH) атом водорода образует полярную ковалентную связь с кислородом и с углеродным скелетом. Из-за этих полярных ковалентных связей гидроксильные группы повышают растворимость вещества. Органические соединения с гидроксильными группами представляют собой спирты, и их названия обычно заканчиваются на -ол (этанол С2Н5ОН).
• Карбонильная группа (>CO) состоит из атома кислорода, соединённого с углеродным скелетом двойной связью. Если карбонильная группа находится на конце скелета, соединение является альдегидом (уксусный альдегид СН3СОН). Если карбонильная группа находится внутри углеродного скелета, соединение представляет собой кетон (ацетон С3Н6О). Изомеры с альдегидами и изомеры с кетонами имеют разные свойства.
• Карбоксильная группа (—СООН) состоит из атома углерода с двойной связью с атомом кислорода и одинарной связью с атомом кислорода гидроксильной группы (уксусная кислота СН3СООН). Соединения с карбоксильными группами представляют собой карбоновые кислоты. Карбоксильная группа действует как кислота, поскольку совокупная электроотрицательность двух соседних атомов кислорода увеличивают вероятность диссоциации* водорода как ион (H+).
• Аминогруппа (—NH2) состоит из атома азота, связанного с двумя атомами водорода, и углеродным скелетом (диметиламин (CH3)2NH). Органические соединения с аминогруппами — это амины. Аминогруппа действует как основание, поскольку она может захватывать ион водорода (H+). Аминокислоты, строительные блоки белков, имеют амино- и карбоксильные группы.
• Сульфгидрильная группа (—SH) состоит из атома серы, связанного с атомом водорода и углеродным скелетом. Эта группа по форме напоминает гидроксильную группу. Органические молекулы с сульфгидрильными группами — это тиолы (метантиол CH3−SH). Две сульфгидрильные группы могут взаимодействовать, помогая стабилизировать структуру белков.
• Фосфатная группа (— O (PO3)2-) состоит из атома фосфора, связанного с четырьмя атомами кислорода (три с одинарными связями и один с двойной связью). Фосфатная группа соединяется с углеродным остовом через один из атомов кислорода. Фосфатные группы представляют собой анионы с двумя отрицательными зарядами, поскольку диссоциируют 2 протона из атомов кислорода. Одной из функций фосфатных групп является передача энергии между органическими молекулами. АТФ* (аденозинтрифосфорная кислота) является важным источником энергии для клеточных процессов (C10H16N5O13P3). Аденозинтрифосфат, или АТФ, является основной молекулой-переносчиком энергии в живых клетках. АТФ состоит из органической молекулы, называемой аденозин, присоединенной к цепочке из трёх фосфатов группы. Когда один ион неорганического фосфата отщепляется в результате реакции с водой, АТФ становится аденозиндифосфатом, или АДФ. В некотором смысле АТФ «сохраняет» возможность реакции с водой, высвобождая энергию, которая может быть использована клеткой организма.

Природное изобилие

Углерод содержится в Солнце и других звёздах, образованных из обломков предыдущей сверхновой звезды. Он образуется в результате ядерного синтеза в более крупных звёздах.
Он присутствует в атмосферах многих планет, обычно в виде углекислого газа. На Земле концентрация углекислого газа в атмосфере в настоящее время составляет 390 частей на миллион и продолжает расти.
Графит встречается в природе во многих местах. Алмаз встречается в виде микроскопических кристаллов в некоторых метеоритах. Природные алмазы встречаются в минерале кимберлит, источники которого находятся в России, Ботсване, ДР Конго, Канаде и ЮАР.
В соединениях углерод содержится во всех живых существах. Он также содержится в окаменелых останках в виде углеводородов (природный газ, сырая нефть, горючие сланцы, уголь и т. д.) и карбонатов (мел, известняк, доломит и т. д.).

Подведём итоги

Углерод и его многочисленные соединения составляют основу жизни всех существ. Все циклы, биохимические реакции и обмены в живом организме происходят благодаря ему.

Также углерод является самым универсальным элементов из всех элементов периодической системы:

• уникальные свойства углерода позволяют ему образовывать как простые вещества (карбид кальция), так и сложнейшие по своей структуре молекулы белков, аминокислот, мономеров и полимеров, сахаров, углеводов, жиров и др.;
• практически всё, что нас окружает, состоит из углеродных соединений: одежда, обувь, предметы мебели, предметы обихода и т. д.;
• уголь является топливом, а также фильтрующим и адсорбирующим материалом;
• алмаз высоко ценится на мировых рынках как драгоценный камень;
• углерод востребован в большинстве отраслей мировой промышленности.

Терминология

Наноформа - одна миллиардная часть единого целого, в данном случае часть определённого вещества.

Экстраполированная температура кипения - официально доказанная в прошедших и настоящих исследованиях температура кипения.

Горячий окислитель - технология окисления, предназначенная для уничтожения летучих органических соединений, опасных загрязнителей воздуха и иных загрязнителей воздуха.

Высокотемпературные тигли - высокотемпературные сосуды, переносящие температуру плавки любого металла до 1600°C.

Электроды с сухими ячейками - электрохимические ячейки, также известные как гальванические элементы — это устройства, позволяющие напрямую преобразовывать энергию химических связей в электрическую работу.

Газовый абсорбент - устройство, в котором происходит поглощение примесей газовых компонентов жидкой фазой.

ppm - миллионная доля — единица измерения каких-либо относительных величин, равная 1⋅10−6 от базового показателя.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота – это одна из важнейших для живых существ молекула, в которой содержится вся генетическая информация о них.

РНК - Рибонуклеиновая кислота — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и экспрессии генов.

Мономерная молекула - молекула, способная в ходе полимеризации вносить составные звенья в структуру полимерной молекулы.

Гидрофильность - (от др.-греч. ὕδωρ «вода» + φιλία «любовь») — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой.

Диссоциация - разделение молекулярных комплексов на два или больше молекулярных элементов (примерами являются унимолекулярный гетеролиз, гомолиз и разделение пары ионов на свободные ионы);

АТФ - нуклеозидтрифосфат, играющий основную роль в обмене энергии в клетках живых организмов. Это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.