Свойства и применение углерода

СТО ЮУрГУ 19-2008

Размещено на http://www.allbest.ru/

28

Аннотация

Решевский Д.С. Реферат. - Челябинск: ЮУрГУ, Хим-243, 24с., библиогр. список - 4 наим.

Цель реферата - рассказать об основных химических, физических свойствах, аллотропных модификациях углерода, о его нахождении в природе, отобразить основные способы его получения, привести различные справочные данные.

Задачи реферата - углубление и дополнение теоретических знаний об углероде, подробно изучить историю углерода. Научить обобщать и извлекать информацию.

Оглавление

Введение

1. История углерода

2. Уголь. Виды угля

3. Аллотропные модификации углерода. Физические свойства углерода

4. Изотопы углерода

5. Химические свойства углерода

6. Применение углерода

7. Нахождение в природе

Заключение

Список литературы

Введение

В этом реферате будет изложена информация о неметаллическом элементе - углероде, находящимся под номером №6, в IV группе главной подгруппе периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений.

1. История углерода

Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропическими видоизменениями углерода - алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь - явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII - XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества - невесомого флюида - флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь - это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, "флогистирующее" действие угля, - его способность восстанавливать металлы из "известей" и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым "чистый уголь" был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа "Метод химической номенклатуры" (1787) появилось название "углерода" (carbone) вместо французского "чистый уголь" (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в "Таблице простых тел" в "Элементарном учебнике химии" Лавуазье. В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод.

2. Уголь. Виды угля

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Антрацит - самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95% углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%. Содержат до 12% влаги (3-4% внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержат до 32% летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43%), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50%). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.

3. Аллотропные модификации углерода. Физические свойства углерода

Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода пять аллотропических модификаций - алмаз, графит, фуллерен, карбин и нанотрубки.

1) Алмаз (рис.1) (от арабского - «несокрушимый») - минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит. Главные отличительные черты алмаза - высочайшая среди минералов твёрдость (но в то же время хрупкость), наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 °C при давлении 11 ГПа. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз спонтанно за 15-30 минут переходит в графит и взрывообразно разрушается на мелкие части.

Идеальный алмаз бесцветен и прозрачен, но может быть желтым, зеленым, голубым, синим, дымчато-коричневым, розово-сиреневым, молочно-белым, серым и черным. Он бывает окрашен в черный, желтый, коричневый, голубой цвет, но для ювелирной промышленности используется чаще всего бесцветный прозрачный или голубой алмаз. В XX веке алмазы стали широко синтезировать, в основном для промышленных нужд. Бриллиантом называют ограненный алмаз ювелирного качества. Основную массу добываемых алмазов составляют не ювелирные технические камни, лишь доли процента пригодны для ювелирной обработки. Для измерения веса алмазов принят метрический карат - 0,2 грамма или 200 миллиграммов. Алмазы массой более 15 каратов - редкость, массой в сотни каратов - величайшая редкость. К настоящему времени в мире известно лишь 26 алмазов, первоначальная масса которых превышала 400 каратов. Такие камни получают собственные имена, мировую известность и прочное место в истории.

Известен способ получения алмазов и алмазоподобных веществ включающий прессование углеродосодержащих материалов в камере с помощью одновременного взрыва двух зарядов, размещенных на противоположных торцах заготовки.

2) Графит (рис. 2) (от др.-греч. - пишу) - минерал из класса самородных элементов. Структура слоистая. Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью. Относительно мягкий и хрупкий. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10-12% примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Искусственный графит получают разными способами:

· Ачесоновский графит: нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;.

· Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы.

· Пирографит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400-1500 °C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500-3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт - пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование «электрографит»).

· Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.

· Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.

3) Фуллерен, бакибол или букибол (рис. 3) - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёх координированных атомов углерода. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов -фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны. Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12% материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода.

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ?30%. Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств.

4) Карбин - это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг.. Карбин представляет собой линейную структуру - сшитые или двойными связями, или чередующимися одинарными - тройными связями цепочки из атомов углерода. Углеродные волокна, чудесный и сверхпрочный конструкционный материал последних лет состоит из поликристаллического карбина. Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных волокон в среде благородных газов. Это сверхпрочные нити, обладающие проводниковыми свойствами. Из них в настоящее время изготовляют пуленепробиваемые жилеты, конструкционные элементы самолетов, ракет, сами ракетные двигатели, костюмы, обогреваемые электричеством и многое другое. В начале восьмидесятых в США из этих волокон, обработанных эпоксидной смолой, был сделан самолет, облетевший без дозаправок и посадок весь Земной шар. Так вот, его сухая масса составляла не более 10% от взлетного веса.

5) Углеродные нанотрубки (рис. 4) - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым идентифицировал эти структуры как нанотрубки.

· Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

· Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

· Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

· Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

· Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

· Медицина (в стадии активной разработки).

· Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

· Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес - до тонны на квадратный миллиметр. Однако, получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор, из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

· Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные

· Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой

· Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применятся для выработки энергии из солнечного света.



Рисунок 1. Рисунок 2.

Рисунок 3. Рисунок 4.

4. Изотопы углерода

Изотопы углерода - разновидности атомов (и ядер) химического элемента углерода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа - ¹²C и ¹³C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93% и 1,07%. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от ⁸C до ²²C), из которых один - ¹⁴C - встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10^?12). Углерод - лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование).

Изотоп ¹⁴C образуется при облучении ¹⁴N нейтронами по следующей реакции:



Изотоп углерода ¹⁴C образуется в атмосфере из атмосферного азота под действием космического излучения. С небольшой скоростью углерод-14 образуется и в земной коре.

Измерение радиоактивности органических веществ растительного и животного происхождения, обусловленной изотопом ¹⁴C, применяется для радиоуглеродного анализа возраста старинных предметов и природных образцов. В живом организме ¹⁴C находится в равновесии с окружающей средой. После гибели организма он перестаёт обмениваться углеродом со средой, и содержание ¹⁴C начинает медленно уменьшаться (его период полураспада равен 5,70±0,03 тыс. лет). Измеренная удельная активность ¹⁴C в образце может быть однозначно связана с временем, прошедшим с момента гибели организма.

5. Химические свойства углерода

Степени окисления +4 (напр., CO₂), ?4 (напр., CH₄), редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C₂N₂); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С⁰ к С⁴⁺ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

В нормальных условиях углерод химически малоактивен, однако при высокой температуре он реагирует со многими веществами. Самой активной формой является аморфный углерод, менее активен графит, самый инертный - алмаз - это связано с тем, что алмаз имеет прочную кристаллическую решетку. В атмосфере кислорода (или фтора) он сгорает при температуре выше 730 єС в результате чего получается СО₂ (СF₄). Алмаз не реагирует с кислотами и щелочами.

Графит взаимодействует с кислородом и фтором при более низких температурах в результате чего получается СО₂ (СF₄). Окисление графита кислотами-окислителями: серной и азотной. Например:

С водородом углерод соединяется только при высоких температурах и в присутствии катализаторов. В зависимости от температуры образуются различные углеводороды, например, метан:

С + 2H2 = CH4

Углерод взаимодействует при нагревании с серой и фтором, в электрической дуге с азотом:

С + 2S = CS2

С + 2F2 = CF4

2С + N2 = (CN)2

Углерод - сильный восстановитель. При нагревании с водяным паром он вытесняет из воды водород:

Н2O + С = СО + Н2

При нагревании углерода с оксидом углерода (IV) образуется угарный газ:

С + СО2 = 2СО

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

2Fe2O3 + 3С = 4Fe + 3CO2

С металлами или их оксидами углерод образует карбиды:

CaO + 3C = CaC2 + СО

Ca + 2C > CaC₂

Главное химическое применение углерода - восстановление металлов, в первую очередь железа, из руд.

Соединения углерода

Водородные соединения - углеводороды изучаются в курсе органической химии. При взаимодействии углерода с водородом образуется метан:

В лабораторных условиях метан получают нагреванием безводного ацетата натрия со щелочью:

СH₃COONa + NaOH = CH₄ + 2Na₂CO3.

Основным промышленным источником метана является природный газ.

Дисульфид углерода (сероуглерод) CS₂ - бесцветная жидкость с запахом редьки, очень быстро улетучивается уже при комнатной температуре. Нерастворим в воде. Растворяет жиры, смолы, каучук, серу, фосфор, йод. Ядовит.

Сероуглерод CS₂ получают из метана обработкой парами серы при 600 °С с участием катализатора:



Сероуглерод огнеопасен; при поджигании на воздухе сгорает с образованием соответствующих оксидов:

Карбамид (мочевина) - диамид угольной кислоты. Карбамид был обнаружен в моче, впервые синтезирован в 1828 г. Его получают по реакции:

Карбамид - конечный продукт белкового обмена у людей и млекопитающих. Человек ежедневно выделяет 20 - 30 г мочевины. Карбамид применяется в качестве удобрения и как добавка в корма, а также используется в органической химии.

Дициан () - бесцветный газ, ядовит. Сгорает в кислороде; при нормальном давлении температура пламени достигает 4500 °С:

Циановодород HCN - бесцветная жидкость с характерным запахом горького миндаля. Очень ядовит. Смертельная доза - 50 мг HCN, продолжительность действия несколько секунд, циановодород блокирует дыхание и вызывает удушье. Хорошо растворим в воде. Водный раствор HCN называется циановодородной (синильной) кислотой. Циановодородная кислота - слабая кислота.

Цианиды - соли циановодорода. Например, цианид натрия NaCN и цианид калия KCN хорошо растворимы в воде. Очень ядовиты (смертельная доза 150 мг); при хранении во влажном воздухе переходят в карбонаты с выделением циановодорода (отравляя атмосферу помещений).

В гальванотехнике используются комплексные цианиды: Na₃[Cu(CN)₄] - тетрацианокупрат (I) натрия, Na₂[Zn(CN)₄] - тетрацианоцинкат (II) натрия, Na₂[Cd(CN)₄] - тетрацианокадмат (II) натрия, K[Ag(CN)₂] - дицианоаргентат (I) калия, K[Au(CN)₂] - дицианоаурат (I) калия.

Тиоционат водорода HCNS (устаревшее название - роданистоводородная кислота) и его соли получают кипячением растворов цианидов с серой:

KCNS - тиоцианат калия.

6. Применение углерода

углерод графит алмаз фуллерен

1) Графит Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм.

Из коллоидно-графитовых смесей таких как графит С-1 изготавливают шлифовальные и полировочные пасты. Хорошие электропроводящие свойства графита позволяют использовать его для производства электродов и контактов некоторых электрических приборов. Кроме производства карандашей, графит используется для изготовления красок и термостойких смазочных материалов, для наполнения пластмасс. Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять электроны в реакторах. В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.

2) Алмаз

Медицина. Алмазные лезвия скальпелей имеют сверхтонкие края, что уменьшает ширину разрезов, это очень важное свойство для современной хирургии. Плюс такие лезвия остаются острыми гораздо дольше, чем стальные. Алмазы также применяются в лазерных устройствах для прижигания разрезов и ран. Алмаз состоит из углерода, и по этой причине он является идеальным материалом для использования в наших телах, так как не вызывает в организме иммунной реакции. Ученые в настоящий момент разрабатывают алмазные имплантаты, которые будут контролировать здоровье пациента или смогут взять на себя роль недееспособных тканей. Также ученые мечтают о крошечных машинах из алмазов, который в один прекрасный день позволят ускорить лечение и диагностику пациентов.

Телекоммуникация. Кристалл алмаза может позволить нескольким сигналам на разных частотах пройти одновременно по кабелю. Это дает возможность использовать его в области телекоммуникаций. Кроме того алмаз способен выдерживать высокое напряжение и изменение температуры.

Электроника. Тепло проходит через алмаз гораздо быстрее, чем через медь. Это делает его применение полезным в местах, где много тепла генерируется на небольшом пространстве. Микроэлектронные устройства один из таких примеров.

Наука. Алмазные окна обеспечивают защиту в некоторых научных экспериментах, например в испытаниях с использованием кислот или расплавленной пластмассы. Алмазные окна также очень прозрачны, что позволяет следить за состоянием вещества, применяя инфракрасные измерительные приборы.

Горное дело. Алмазное бурение - это наиболее эффективный и экономичный способ бурения горных пород. Рабочая часть современного бурового долота представляет собой отлитое из стали кольцо. На его торце (коронке) имеется ряд правильно расположенных углублений, в которые вставлены алмазы. При вращении бурового долота разбуривается кольцеобразная зона горных пород, а внутри остается твердый столбик породы - керн, который затем извлекается на поверхность.

Промышленность. Из-за своей необычной твердости алмаз прочно занял место в промышленности, не одно современное производство не обходится без алмазных инструментов: сверил, фрез, резцов, шлифовальных кругов, стеклорезов и т.д.

3) Фуллерены

· Тканые материалы специального назначения (ленты, полотна, паруса, канаты, сверхпрочные нити) на основе полимерных молекул, модифицированных фуллеренами;

· Радиозащитные материалы на основе графитов, модифицированных фуллеренами;

· Бетонополимеры повышенной прочности;

· Присадки к маслам и смазкам, резко повышающие износоустойчивость пар трения в машинах и механизмах;

· Композиты тормозных колодок скоростных транспортных средств наземного и авиационного транспорта с повышенными теплоотдачей и износоустойчивостью;

· Алмазоподобные пленки высокого совершенства;

· Материалы новейших микросенсоров;

· Высокоэффективные сорбенты для стационарных защитных систем;

7. Нахождение в природе

Содержание углерода в земной коре 0,1% по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов(известняки и доломиты), горючих ископаемых - антрацит (94-97% С), бурые угли (64-80% С), каменные угли (76-95% С), горючие сланцы (56-78% С), нефть (82-87% С),горючих природных газов (до 99% метана), торф (53-56% С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО₂, в воздухе 0,046% СО₂ по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18%).

В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21% (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО₂ в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО₂ поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов - в почву и в виде СО₂- в атмосферу.

В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

В природе встречается минерал шунгит, в котором содержится как твердый углерод (?25%), так и значительные количества оксида кремния (?35%).

Заключение

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Углерод входит в состав молекулы СО₂ которая играет важную роль в жизни растений и человека. В современном мире углерод имеет широкое применение в медицине, науке, промышленности, в телекоммуникации и электронике.

В данной работе были рассмотрены различные изотопы углерода, аллотропные модификации углерода, химические и физические свойства, так же рассмотрены различные способы получения и нахождения углерода в природе, приведены справочные данные.

Список литературы

1. Касаточкин В.И. Переходные формы углерода. - В кн. Структурная химия углерода и углей. М: Наука. - 1969.

2. Химические и физические свойства углерода. Под ред. Ф. Уокера. // М: Мир. -1969.

3. Н. Л. Глинка "Общая химия" Издательство "Химия" Ленинградское отделение 1973 г.

4. Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлин "Основы общей химии" Москва "Просвещение" 1980г.

Размещено на Allbest.ru

...