 |
https://dzen.ru/a/ZKJlMXuQ1y4nnkPg
Сегодня мы поговорим о самом важном для жизни элементе. Это углерод
Нейтральный атом углерода имеет шесть протонов. И соответственно, шесть электронов. Именно по этой причине углерод чрезвычайно универсален. Даже в большей степени, чем элемент с пятью протонами – бор. Вы конечно же помните, что первая электронная оболочка может содержать два электрона, поэтому во второй электронной оболочке углерода их четыре. А максимальное число электронов, которые могут находится во второй оболочке равно восьми.
Я. Всем. Друг
Углерод, друзья мои находится в состоянии «и вашим, и нашим»: он может терять электроны, чтобы иметь только полную первую оболочку и не иметь электронов на второй, и он может приобретать электроны, чтобы иметь восемь во второй оболочке. И он может находится в промежуточных состояниях между двумя крайностями.
Углерод очень «гибкий» элемент. И нет другого химического элемента, который хотя бы немного приблизился к углероду по количеству соединений, которые может образовывать. А таковых насчитывается более 10 миллионов!
Существует целый раздел химии, посвящённый изучению соединений углерода – органическая химия. Есть еще одна вещь, которая делает углерод особенным: его количество.
Возможно вы помните, мои дорогие читатели, что водород – самый распространённый элемент во Вселенной, а гелий находится на втором месте. Углерод же – четвёртый по распространённости элемент после кислорода. В земной коре его около 0,1 % от её общей массы. Если говорить очень упрощённо, образование углерода происходит в ядрах звёзд в результате слияния трёх ядер гелия. Позже, если звезда становится сверхновой, этот углерод рассеивается по Вселенной… и оказывается в газовых облаках, образующих новые звезды.
Наше Солнце – одна из звёзд «второго поколения». И весь углерод в Солнечной системе происходит от мёртвых звёзд, которые «разбросали» этот элемент по Галактике. Вот почему мы все сделаны на основе углерода: это необычайно распространённый и невероятно универсальный элемент.
Разделы органической химии. Из открытых источников.
Углерод многолик
И даже в чистом виде углерод демонстрирует интересные особенности. Он может принимать самые разные формы с совершенно разными свойствами. Они называются аллотропными формами или просто аллотропами (по-гречески это означает «различные способы»). Углерод встречается во многих аллотропных формах.
Наиболее часто углерод встречается в природе в аморфной форме. В этом случае его атомы соединены беспорядочно. Вы часто в своей жизни встречали такой углерод. Это сажа, каменный уголь, древесный уголь, древесная зола и т. д. Его очень легко производить, и поэтому углерод является одним из элементов, который известен человеку уже очень давно.
Второй по частоте встречающейся формой углерода является графит. В этом минерале атомы углерода образуют «листы», связанные друг с другом силами Ван-дер-Ваальса. Эти «листы» в свою очередь составляют слоистую структуру, которую имеет графит.
Третьей наиболее распространённой формой является обыкновенный алмаз. Да, это те самые блестящие камушки, что хранятся в коробках из-под посылок в каждом чулане. В алмазе атомы углерода связаны друг с другом, образуя тетраэдры. Каждый атом соединяется с четырьмя другими, расположенными в вершинах тетраэдра, и каждый из них связан с четырьмя другими, такими же, как он. Поэтому все эти атомы имеют восемь электронов в последней оболочке, которые они делят посредством четырёх ковалентных связей. Эта структура чрезвычайно стабильна. Настолько стабильна, что алмаз является самым твёрдым из известных природных минералов.
Обратите внимание – этот чудесный элемент может образовывать два очень разных соединения: графит (одно из самых мягких среди всех известных твёрдых тел), и алмаз. Самое твёрдое. Графит проводит электричество, алмаз же отличный изолятор. Графит используется как смазка, алмаз — лучший абразив. Графит очень непрозрачный и черный, алмаз прозрачен. Графит используется как теплоизолятор, алмаз – отличный проводник тепла. Трудно представить себе два более отличных друг от друга материала. Но вот чудеса! Они состоят из одних и тех же атомов!
Уголь и алмаз (бриллиант). Из открытых источников.
Твёрже алмаза
Существуют и другие аллотропы углерода, которые были получены искусственно (хотя некоторые из них всё же встречаются в очень небольших количествах в природе), и которые обладают еще более интересными свойствами. Это углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, углеродная нанопена и некоторые другие. Все они имеют огромное значение, особенно для нанотехнологий, так как позволяют строить упорядоченные структуры невообразимо малых размеров.
Один из таких искусственных аллотропов, карбин, в три раза твёрже алмаза!
Однако фундаментальное значение углерода заключается не в его удивительных свойствах. А в том, что он образует органические молекулы. И является единственной известной на настоящий момент химической основой жизни. Другими словами: на Земле не обнаружено ни одной формы жизни, которая не использовала бы соединения углерода.
Существуют гипотезы, которые предсказывают, что жизнь на основе других «универсальных» элементов тоже возможна. Но о таких формах жизни ничего неизвестно.
Примерно за 20 % массы тела человека отвечает углерод. Этот элемент обеспечивает структуру нашего тела. Это топливо, на котором мы все функционируем. Мы — «углеродные существа», как и все остальные живые существа этой планеты.
Конечно, для построения этих органических молекул нужны атомы углерода, которые нужно откуда-то брать. И мы получаем их от других животных или от растений, а растения берут углерод прямо из атмосферы посредством фотосинтеза.
Аллотропные модификации углерода. Из открытых источников.
Универсальный конструктор
Из «мини-кирпичиков» углерода строятся почти все молекулы, из которых мы состоим. Универсальность этих атомов делает их чем-то вроде деталей конструктора с возможностью создания самых разнообразных соединений. Наши клетки могут соединять углерод с другими атомами (такими как водород, кислород, азот и т.д.), чтобы построить из них всё, что только можно себе представить.
Любую такую структуру в нужный момент можно «разобрать». И перестроить её другим способом, чтобы получить другое полезное соединение или энергию. Весь наш метаболизм, в общем-то, и представляет собой процесс сборки и разборки подобных структур. В которых атомы углерода являются чем-то вроде «основы», позволяющей создавать эти сложные конструкции.
И иногда они настолько сложные, что мы до сих пор не до конца понимаем, как вообще это всё работает.
