УГЛЕРОД (Carboneum), С — хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 6, ат. м. 12,011. В соединениях проявляет степени окисления —4, +2 и +4. Природный углерод состоит из стабильных изотопов 12С (98,892%) и 13С (1,108%). Кроме того, в верхних слоях атмосферы образуется радиоактивный изотоп 14С (с периодом полураспада 5509 лет) под воздействием нейтронов космического излучения на стабильный изотоп 14N. Получены 10С, 11С, 14С и 16С с периодами полураспада cответственно 19,1 сек,  20,4 мин, 5569 лет и 2,2 сек. У. известен с глубокой древности. Общее содержание углерода в земной коре 0,14%. Свободный углерод встречается в природе в незначительных количествах в виде графита и кристаллов алмаза. В связанном состоянии У. находится  в земной коре в органогенных горючих ископаемых  (углях,  нефти,   озокерите, битумах,   асфальтитах,   природных газах, торфе, горючих сланцах) и в неорганических соединениях — карбонатах, входящих в состав многих минералов, в атмосфере и гидросфере (в виде углекислого газа), а также в органических  соединениях  биосферы.
 
Свободный углерод существует в двух основных   аллотропных   модификациях   (табл.):   графит  со слоистой гексагональной кристаллической решеткой и периодами  а = 2,461  А и с = 6,708 А, плотность его (рентгеновская) 2,265 г/см3; алмаз с кубической гранецентрированной решеткой и периодом а — 3,354 А, плотность его (рентгеновская) 3,515 г/см3. Известны также ромбоэдрическая модификация графита с периодами решетки   а = 2,45 А и с = 10,044 А, плотность его (рентгеновская) 2,265 г/см3 и гексагональная модификация алмаза с решеткой типа вюрцита и периодами а = 2,52 А и с = 4,12 а, плотность его (рентгеновская) 3,515 г/см3 .
 
Алмаз термодинамически стабилен при высоком давлении. Тройная точка равновесия алмаз графит  расплав   соответствует т-ре 4100 К и давлению 125 кбар. При т-ре > 1000° С и атмосферном давлении без доступа кислорода происходит самопроизвольное превращение алмаза в графит. Теплота этого превращения   453,2 ±20   кал/г-атом. При давлении 1 мбар и т-ре 77—600 К зафиксирован переход в металлическое состояние. При взаимодействии с кислородом У. образует двуокись С02 и окись СО. Двуокись углерода — ангидрид угольной к-ты, образующей с металлами соли — карбонаты. Окись углерода при взаимодействии с металлами образует карбонилы Мm (СО)m.
Термической диссоциацией карбонилов получают дисперсные металлические порошки со сферической формой частиц. С серой У. образует соединения CS, CS2 и C3S2. Наиболее устойчив из них сероуглерод CS2. Элементы Via группы периодической системы образуют с У. сложные неустойчивые соединения CSSe, СSTe и COS. С галогенами углерод образует бинарные соединения, простейшими из к-рых являются галогениды типа СХ4. Устойчивость этих соединений снижается в ряду от фтора к йоду.  Смешанные галогениды нашли применение в технике. Фреон CF2Cl2 используют в качестве хладагента, а в результате полимеризации тетрафторэтилена (C2F4) и хлортрифторэтилена (C2ClF3) получают теплостойкие материалы с хорошими антифрикционными и ди-электр. св-вами (фторопласты).
В некоторых хим.  соединениях сохраняется   специфическая   кристаллическая структура графита со слоистым   каркасом   атомов   углерода. Известны такого рода соединения графита со щелочными металлами (С8М, С24М, С36М, С48М, С60М) и галогенами (CF, C4F, С8Сl, С8Вr и др.). С большинством переходных металлов (кроме металлов VIII группы), а также с бором и   кремнием У. образует устойчивые карбиды. Алмаз является наиболее твердым из природных и синтетических веществ, что обусловливается наличием в его решетке непрерывной   тетраэдрической   сетки жестких ковалентных sp3-гибридных связей (с  расстоянием  С—С,  равным 1,5445 А). Вследствие этого монокристаллы алмаза и поли кристаллические сростки (баллас или карбонадо) нашли применение при изготовлении абразивного, режущего, бурового инструмента и фильер.
 
Сочетая в себе высокую теплопроводность и электропроводноcтъ, жаропрочность, термостойкость и химическую стойкость, графит служит основой конструкционных ,    антифрикционных, огнеупорных, электродных и электротехнических материалов,  применяемых в дуговых металлургических печах, электролизерах, электр. печах сопротивления,     теплообменниках, ядерных  реакторах,  узлах трения насосов и электр. машин и пр. Пром. метод произ-ва большинства углеграфитовых материалов заключается в   высокотемпературной обработке углеродистых веществ. Сырье — обычно дробленый и  прокаленный нефтяной кокс и каменноугольный пек,  которые  после дозирования и смешивания   подвергают  прессованию, обжигу (карбонизации) при т-ре 1100—1300° С и графитизации при т-ре ~ 3000° С Широко распространены пирографит — материал с высокой анизотропией св-в, получаемый в процессе термического разложения углеводородов на нагретой поверхности, и стеклоуглерод, образующийся в результате спец. термообработки термореактивных пластиков.
 
Разработан метод произ-ва угольных и графитизированных волокон и тканей, получаемых безокислительной термообработкой  вискозы.  Углеродистые ткани применяют в электронагревательных   устройствах,   при произ-ве углепластиков, в качестве теплоизоляции. В пром. масштабах выпускают  разнообразные изделия из угольных и графитизированных материалов, пирографита и стекло-углерода.
Атомный вес углерода 12,011.Внешний электронный слой атома углерода имеет 4 электрона , его электронная конфигурация 2s²2p² . Среди электронов подгруппы углерод обладает наибольшим значением электроотрицательности .
Углерод имеет три аллотропных видоизменений — алмаз , графит и аморфный углерод . Алмаз и углерод встречаются в природе , а аморфный углерод может быть получен лишь искусственным   путём .
 
Химические свойства углерода .
Главным свойством углерода считается его восстанавливающая способность . Он один из лучших восстановителей , легко восстанавливает металлы из их окислов при нагревании :
 
CuO + C = Cu + CO
 
легко сгорает в кислороде , образуя окись или двуокись углерода :
 
2C + O2 = 2CO
 
C + O2 = CO2
 
Сплавляясь с металлами , углерод образует карбиды , имеющие очень своеобразное строение молекул , особенно широко применяемое в технике карбид кальция CaC2  для получения ацетилена в результате реакции карбида кальция с водой :
 
CaC2 + 2H2O = Ca( OH ) + C2H2
 
Известны и другие карбиды например карбид меди , карбид ртути , карбид серебра . Получить их можно только косвенным путём в результате реакции их некоторых их солей с ацетиленом , другое их название ацетиленид меди , серебра , ртути . Из них наиболее значение имеет ацетиленид серебра , так как другие карбиды ( меди , ртути ) быстро разлагаются . Карбид серебра используется иногда как инициирующее взрывчатое вещество . 
 
Углерод соединяется с водородом только при нагревании около 1200°C , образуя органическое соединение метан CH4 :
 
C + 2H2 = CH4
 
При пропускании перегретого водяного пара через раскаленный уголь последний восстанавливает из воды водород , в результате чего образуется водяной газ :
 
C + H2O = CO + H2
 
Несмотря на высокую восстановительную способность углерода , применение его как восстановителя не всегда удобно , так как он является твердым веществом . Гораздо удобнее использовать  газообразные восстановители . Тогда контакт между восстановителем и восстанавливаемым веществом становится более полным . В связи с этим углерод переводят в окись углерода CO , сохраняющую его восстановительные свойства .
Известны два окисла углерода , в которых он проявляет степень окисления: CO и CO2 .
 
Окись углерода ( II ) CO , или как его называют угарный газ , представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха . Температура кипения — 191,5°C .Она немного легче воздуха и крайне ядовит . Ядовитость окиси углерода объясняется тем , что в соединении с гемоглобином крови , с которой она вступает в контакт при попадании в лёгкие , она образует карбоксигемоглобин ,  который является прочным соединением , не обладающим способностью вступать в реакцию с кислородом . Таким образом , гемоглобин крови выводиться из строя и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания .
Химические свойства окиси углерода весьма разнообразны . Это горячий газ , который легко сгорает голубым пламенем в кислороде и воздухе с образованием двуокиси углерода :

 
2CO + O2 = 2CO2
 
Углерод в этой реакции окисляется , переходя из C° в C т.е.  проявляет восстановительные свойства . Следовательно , окись углерода можно применять как восстановитель :
 
FeO + CO = CO2 + Fe
 
Горючесть окиси углерода , а также восстановительные свойства делают ее весьма ценным топливом и восстановительные свойства делают ее весьма ценным топливом  во многих производственных процессах , особенно металлургии , поэтому окись углерода специально получают в печах , которые называют газогенераторами .

Газогенератор представляет собой печь , в которую засыпают кокс , снизу поджигают , а для поддержки горение подают воздух . При соприкосновении кислорода воздуха раскаленным углем последний сгорает с образованием двуокиси углерода :
 
C + O2 = CO2
 
Проходя через последующие соли угля , двуокись углерода восстанавливается до окиси углерода:
 
CO2 + C = 2CO
 
В результате из газогенератора выходит генераторный газ следующего состава :
 
CO + CO2 + N2 ( азот воздуха )
 
Этот газ называется воздушным . Воздушный газ содержит лишь одно горючее вещество CO,  его двуокись углерода CO2 и азот является балластом . Для того чтобы в газе не было балласта , через генератор пускают перегретый водяной пар ,который , вступая в реакцию с углеродом , образует водяной газ:
C + H2O CO + H2
 
Водяной газ балласта не имеет , так как окись углерода и водород горят и являются хорошими восстановителями , генераторные газы широко используются в технике .
Двуокись углерода CO2 является высшим углеродным оксидом ,молекулярный вес 44 у.е ( она более чем полтора раза тяжелее воздуха ) Температура кипения  ( возгонки ) — 78,5°C.
Двуокись углерода при сильном охлаждении превращается в твёрдую снегообразную массу ( сухой лед ), который при нормальном давлении в жидкость не переходит , а возгоняется , что представляет большое удобство при хранении скоропортящихся продуктов: во первых отсутствие влаги , а во вторых , атмосфера двуокиси углерода задерживает рост бактерий .
двуокись углерода — типичный кислотный окисел , обладающий всеми характерными свойствами . 
Двуокись углерода довольно хорошо растворима в воде:
в одном объеме воды растворяется 1 объем CO2 . При этом происходит взаимодействие ее с водой с образованием весьма нестойкой угольной кислоты  :
 
H2O + CO2 H2CO3
 
При повышении давления на растворимость двуокиси углерода резко возрастает . На это основано применение CO2 в изготовлении шипучих напитков .
CO2 не поддерживает горение и дыхания и в его атмосфере животные погибают не от отравления , а  от отсутствия кислорода . Только магний , горящий при очень высокой температуре , может гореть в двуокиси углерода , разлагая её и тем самым восстанавливая углерод :
 
2Mg + CO2 = 2MgO + C
 
В тоже время CO2 необходим зелёным растениям для процесса фотосинтеза . Обогащение атмосферы двуокисью углерода в теплицах , парниках усиливает образование органического вещества растением .В земной атмосфере содержится 0,04% CO2 . Небольшое содержание его стимулирует деятельность дыхательного центра .
Обычно его получают , взаимодействием на соли угольной кислоты какой — нибудь более сильной кислотой ( соляной кислотой ) :
                                                          CO2
                                                           ↑
CaCO + 2HCl = CaCl2 + H2CO3
                                                           ↓
                                                        H2O
 
Антологичный способ получения оксида углерода используется в пенных огнетушителях , где содержится стеклянная колба с серной кислотой и раствор соды Na2CO3 , при пожаре колба разбивается в нутри сосуда ( огнетушитель ) и реакция сопровождается с выделением пены и диоксида углерода :
                                                                    CO2
                                                                     ↑
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2CO3
                                                                     ↓
                                                                   H2O
Недостаток использование в реакции кислоты и не применимо при нахождении электричества в очаге пожара .
 
Для промышленных целей двуокись углерода получают при разложении известняка :
 
CaCO3 = CaO + CO2
 
Также углекислый газ получается при горении всех органических веществ , при брожении сахара и в других процессах .
 

Лит.: Фиалков А. С. Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов.  В я т к и н С. Е. [и др.]. Ядерный графит.

В основном с этим также ищут .
Вы читаете, статья на тему углерод