Углерод

Углерод (рус. углерод, лат. carbonum) — Менделеевның периодик таблицасының 2-нче периоды баш төркемчәсенең 4нче төркемендәге химик элемент,тәртип саны - 6, изотоп табигый катнашманың атом массасы 12,0107 мольгә грамм. Химик билгесе — C. Бу элементның өч изотобы безнең тирә-юньдә очрый. Тотрыклы изотоплар- ¹²C һәм ¹³C , ә ¹⁴C радиоактив изотоп (бу изотоптың ярымбүленеш периоды 5730 ел). Углерод борынгы антик дөньяда ук билгеле булган.

Углеродның полимер чылбырлар эшләү сәләте углерод нигезендә берләшмәләрнең бик зур класcын булдыра, алар органик берләшмәләр дип атала. Органик берләшмәләр органик булмаган берләшмәләргә караганда күбрәк. Аларны органик булмаган химия өйрәнә.

Исем барлыкка килү

Халыкара атамасы лат. carbo «күмер» сүзеннән. «Углерод» атамасы русчадан «күмер тудыручы» дигәнне аңлата.

Тарихтан

Агач күмере рәвешендә углерод металларны эретү өчен бик борынгыдан кулланылган. Борынгыдан углеродның аллотроп модификациялары билгеле: алмаз һәм графит.

XVII—XVIII гасырлар арасында Иоганн Бехер белән Георг Шталь флогистон теориясын булдыра. Бу теорияга яраклы һәр бер янучан җисемдә аерым элементар матдә бар, ул — авырлыксыз флюид — яну процесында очып китә торган флогистон. Бик күп күмер янганнан соң әз генә торып кала, шуңа күрә флогистиклар күмер саф флогистоннан тора тип исәпләгән. Соңрак яшәгән флогистиклар (Рене Антуан Реомюр, Торберн Улаф Бергман һәм башкалар) күмернең элементар матдә икәнен аңлый башлаганнар."Саф күмернең" элементар (гади) матдә икәнен Антуан Лавуазье беренче булып исбатлый. Ул һавада һәм кислородта күмер һәм башка матдәләрнең яну процессын өйрәнә. Гитон де Морво, Лавуазье, Бертолле һәм Антуан де Фуркруаның «Химик номенклатура методы» («Метод химической номенклатуры») (1787) китабында французча «саф күмер» (charbone pur) урынына «углерод» (carbone) исеме кулланыла. Углерод исеме Лавуазьеның «Химиядан элементар дәреслегендәге» "Гади җисемнәр таблицасы"на кергән.

1791 елда инглиз химигы Смитсон Теннант беренче булып ирекле углерод алуга ирешә; ул кыздырылган акбур өстеннән фосфор парын җибәрә, моның нәтиҗәсендә кальций фосфаты белән углерод барлыкка килә. Алмастан нык кыздырган чакта берничә дә калмый икәнен әллә кайчаннан алып белгәннәр. 1751 елда герман императоры Франц I яндырып тәҗрибә үткәрер өчен алмас белән рубин бирергә риза була, моннан соң мондый тәҗрибәләр модага кереп китә. Яндырган чакта алмас кына янып бетә икәне билгеле була, ә кызыл якут- рубин (хром катыш алюминий оксиды) яндыручы линзаның фокусында озак вакыт җылытканда да бирешми. Лавуазье алмасны зур яндыру машинасында яндыру буенча тәҗрибә үткәреп карый һәм алмас -кристалл углерод дигән фикергә килә. Углеродның икенче аллотробы — графит — алхимиклар тарафыннан үзгәргән кургаш ялтыравы — свинцовый блеск дип атала һәм аны plumbago дип йөртәләр; 1740 елда гына Потт графитта бернинди дә кургаш эзләрен тапмый. Шееле графитны тикшерә (1779) һәм флогистик буларак аны аерым төр күкертле җисем, яки аерым минераль күмер, «һава кислоталы» -воздушная кислота (СО₂) аерым минераль күмер һәм бик күп флогистон дип уйлый.

Егерме елдан соң Гитон де Морво әкрен генә җылытып, алмасны графитка , ә соңрак күмер кислотасына әйләндерә^[1].

Исеменең килеп чыгуы

XVII—XIX гасырларда рус химия буенча һәм башка махсус китапларда кайсыбер чак «углетвор» исеме кулланылган (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); 1824 елда Соловьёв «углерод» исемен уйлап чыгара. Углерод берләшмәләренең исемендә карбо(н) — от лат. carbō (род. п. carbōnis) «уголь» сүзе бар.

Физик сыйфатлары

Углерод бик күп төрле физик сыйфатлы аллотроп модификацияләрдә бар. Модификацияләрнең төрлелеге углеродның төрле химик бәйләнешләр булдыра алуына бәйле.

Углерод изотоптары

Төп мәкалә: Углерод изотоптары

Тәбигатьтә углерод ике стабиль ¹²С (98,93 %) һәм ¹³С (1,07 %) һәм бер радиоактив ¹⁴С (β-нурландыручы, Т_½ = 5730 лет) изотобынан тора, углерод башлыча стратосфераның түбәнге өлөшендә һәм Җир кабыгында тупланган. ¹⁴N (n, p) ¹⁴C реакциясе буенча азот төшенә даими рәвештә Галәм нурланышы нәтиҗәсендә стратосфераның түбәнге катламында барлыкка килә. Шулай ук 1950-нче еллардан соң атом электростанциларының һәм водород бомбасының техноген продукты буларак барлыкка килә.

¹⁴С 14С формалашу һәм таркалу нигезендә радиоуглерод белән даталау ысулы ята, бу ысул геологиядә һәм археологиядә киң кулланыла.

Углеродның аллотроп модификациясе

Углеродтың гадиләштерелгән фаза диаграммасы. Аллотропик модификация булуы мөмкин урыннар штрихланган. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — сыеклык, vapor — газ)

Угреродның төрле модификацияләре төзөлеше
a: алмаз, b: графит, c: лонсдейлит
d: фуллерен — бакибол C₆₀, e: фуллерен C₅₄₀, f: фуллерен C₇₀
g: аморф углерод, h: углерод нанокөпшә

Кристалл углерод

Алмаз
Графен
Графит
Карбин
Лонсдейлит
Наноалмаз
Фуллерен
Фуллерит
Углерод сүс
Углерод наносүс
Углерод нанокөпшәләр

Аморф углерод

Активлаштырылган күмер
Агач күмере
казылма күмер: антрацит һәм казылма күмер
Ташкүмер коксы, нефть коксы һәм башкалар
Пыяла угрерод
Техник углерод
корым
Углеродная нанокүбеге

гамәлдә өстә санап үтелгән аморф формалар — углеродның таза аллотропик формасы түгел, ә углерод микъдары югары булган химик берләшмәләр генә

Кластер формалар

Астрален
Диуглерод
Углерод наноконусы

Куллану

Графит карандаш җитештерү сәнәгатендә кулланыла, әмма аның йомшаклыгын киметү өчен балчык кушалар. Шулай ук аеруча югары яки түбән температурада майлау чарасы буларак кулланыла. Аның югары температурада эрү ноктасы аннан металлар кою өчен тигльләр эшләргә мөмкинлек бирә. Графитның электр тогын үткәрү сәләте дә аннан сыйфатлы электродлар эшләү мөмкинлеген бирә.

Алмаз үзенең искиткеч катылыгы аркасында — алыштыргысыз абразив материал. Алмаз япмалы шомартучы дисклар, бораулау корылмалары бар. Моннан тыш, бизәнү әйберләрендә кыйммәтле бриллиант — кырланган алмаз. Сирәк булуы, югары декоратив сыйфатлары һәм тарихи шартларны билгеләүе аркасында алмаз һәрвакыт иң кыйммәтле таш булып тора. Алмазның югары термик үткәрүчәнлеге (2000 елга кадәр W/m·K) аны ярымүткәргеч технологиясе өчен процессорлар җәймәсе сыйфатында перспективалы материалга әйләндерә. Әмма алмаз чыгаруның чагыштырмача югары хакы (бер карат өчен $97,47[25]) һәм алмаз эшкәртүнең катлаулылыгы аны бу өлкәдә куллануны чикли.

Фармакологиядә һәм медицинада углеродның төрле берләшмәләре киң кулланыла: углерод кислотасы һәм углерод кислоталары чыгарылмалары, төрле гетероцикллар, полимерлар һәм башка берләшмәләр. Әйтик, карболен (активлаштырылган углерод), организмнан төрле токсиннарны йоту һәм чыгару өчен кулланыла; графит (май рәвешендә) — тире авыруларын дәвалау өчен; радиоактив углерод изотоплары — фәнни тикшеренүләр өчен (радиоуглерод анализы) кулланыла.

Кеше тормышында углерод зур роль уйный. Аның кушымталары бу күп яклы элементның үзе кебек төрле. Атап әйткәндә, углерод корычның (авырлыгы буенча 2,14 % кадәр) һәм чуенның (авырлыгы буенча 2,14 проценттан күбрәк) аерылгысыз өлеше булып тора.

Углерод бөтен органик матдәләрнең нигезе булып тора. Теләсә нинди тере организм күп очракта углеродтан тора. Углерод — тереклекнең нигезе. Тере организмнар өчен углерод чыганагы булып гадәттә атмосферадан яки судан CO2 тора. Фотосинтез нәтиҗәсендә биологик азык чылбырына керә, аларда мәхлукатлар бер-берсен яки бер-берсенең калдыкларын ашый һәм шуның белән үз тәннәрен төзү өчен углерод үзләштерә.

Агулы тәэсире

Углерод тирә-юньгә автотранспорт эшләп чыгарган газлардан, ТЭС-ларда (җылылык электростанцияларе) күмер яндырганда, күмерне ачык ысул белән тапканда, Җир астында аның газга әйләнгән чагында, күмер концентратларын ясаганда һ.б. эләгә. Янып яткан чыганаклар өстендә углерод концентрациясе 100—400 мкг/м³, зур калалар өстендә 2,4—15,9 мкг/м³, авыл җирендә 0,5 — 0,8 мкг/м³. АЭС-ларның газ-аэрозоль катнашмалары белән һавага (6—15)×10⁹ Бк/сут ¹⁴СО₂ эләгә.

Углеродның атмосферадагы аэрозольләрдәге микъдары арту халык арасында чирләр , бигрәк тә тын юллары һәм үпкә чирләре, артуга китерә. Һөнәри чирләр — башлыча антракоз һәм тузаннан була торган бронхит. Эш зонасындагы һавада ПДК, мг/м³ (рөхсәт ителгән конценрация): алмаз 8,0, антрацит һәм кокс 6,0, ташкүмер 10,0, техник углерод һәм углерод тузаны 4,0; атмосфера һавасында бер тапкыр максимум 0,15, уртача тәүлеккә 0,05 мг/м³.

Биологик молекулалар составына кергән (аеруча ДНК һәм РНК) ¹⁴С матдәсенең радиоактивлыгы аның молекуланың химик составын үзгәртүче β-кисәкчәләр (¹⁴С (β) → ¹⁴N) белән үзара радиацион тәэсир итешүе белән билгеләнә. ¹⁴С матдәсенең һавадагы концентрациясе:эш зонасында ДК_А 1,3 Бк/л, атмосфера һавасында ДК_Б 4,4 Бк/л, суда 3,0×10⁴ Бк/л, тын юллары аша кеше организмына үтү- 3,2×10⁸ Бк/елына.

Кушылмалар

Органик кушылмалар

Кислород һәм водород белән комбинациядә углерод шикәрләрне, лигнаннарны, хитиннарны, спиртларны, майларны һәм ароматик эфирларны, каротиноидларны һәм терпеннарны кертеп күп күп әһәмиятле биологик кушылмалар төркемнәрен хасил итә ала. Азот белән ул алкалоидларны формалаштыра һәм күкерт өстәве белән ул шулай ук антибиотикларны, аминокислоталарны һәм резина продуктларын формалаштыра. Шулай ук бу башка элементларга фосфор өстәлеп ул тормышның химик коды йөртүчеләр ДНК һәм РНК-ны формалаштыра һәм барлык тере күзәнәкләрдә иң әһәмиятле энергия тапшыручы молекула аденозин трифосфат формалаштыра.