Вуглець
Виконав: Серенко Андрій
Учень 11 «Б» класу
Перевірив: Комарчева Є.А.
Канськ
2005
План
1. Роль вуглеців в живій природі
2. Поширення в природі.
3. Фізичні і хімічні властивості.
4. Роль вуглеводів у живій природі.
Карбон відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовуватися графіт для виготовлення олівців.
У 1778 К. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) по вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Карбон як хімічний елемент був визнаний тільки в 1789 А. Лавуазье. Латинська назва сarboneum карбон отримав від сarbo - вугілля.
Число власних мінералів вуглецю - 112; виключно велике число органічних сполук карбону - вуглеводородів і їх похідних.
З накопиченням карбону в земній корі пов'язане накопичення і багатьох інших елементів, сорбуємість органічною речовиною і осаждающихся у вигляді нерозчинних карбонатів і т.д.
У порівнянні з середнім вмістом в земній корі людство у виключно великих кількостях витягує карбон з надр (вугілля, нафта, природний газ), так ці копалини - основні джерела енергії.
Карбон широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце після водню, гелію і кисню.
Конфігурація зовнішньої оболонки атома вуглецю 2s 2 2p 2. Для карбону характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, зумовлене збудження зовнішньої електронної оболонки до стану 2sp 3. Тому карбон здатний в рівній мірі як притягати, так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2 - і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4,3 і 2. Число валентних електронів карбону і число валентних орбіталей однаково; це одна з причин стійкості зв'язку між атомами вуглецю.
Унікальна здатність атомів карбону сполучатися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних з'єднань карбону, що вивчаються органічною хімією.
У сполуках карбон проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77 Б, ковалентні радіуси 0,77 Б, 0,67 Б, 0,60 Б відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонної радіус З 4 - 2,60 Б, З 4 + 0,20 Б. При звичайних умовах карбон хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості.
Всі форми карбону стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентриров. HNO 3 та KCIO 3 та ін.) "Аморфний" вуглець реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. Безпосередньо з'єднання вуглецю з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом і йодом вуглець не реагує, тому численні вуглецю галогеніди синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідов загальної формули COX 2 (де Х - галоген) найбільш відома хлорокис COCI 2 (фосген).
При температурах вище 1000 ° С карбон взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми карбону при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb тощо) або карбідів (CaC 2, Mo 2 C, WC , TaC та ін.) Карбон реагує при температурах вище 600 - 800 ° С з водяною парою і вуглекислим газом.
Всі форми карбону нерозчинні в звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).
Вуглець - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя на Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть участь в побудові організмів і забезпеченні їх життєдіяльності (біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та ін.) Значну частину необхідної організмам енергії утвориться в клітках за рахунок окислення вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук.
Унікальна роль карбону в живій природі зумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден інший елемент періодичної системи. Між атомами вуглецю, а також між карбоном і іншими елементами утворяться міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними). Здатність карбону утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами. Карбон створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що усього три елементи - С, О, Н - становлять 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих сполук невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє на багато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома карбону лежить в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).
Згідно з гіпотезою А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами карбону служили (СН4) і ціанистий водень (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного вуглецю, за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є карбону двоокис (СО 2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинений в природних водах у вигляді НСО 3. Найбільш могутній механізм засвоєння (асиміляція) карбону (в формі СО2) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами. На Землі існує і еволюційне більш древній спосіб засвоєння СО 2 шляхом хемосинтезу; в цьому випадку мікроорганізми - хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають карбон з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. У залежності від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізнювати автотрофні організми і гетеротрофні організми. Застосування для біосинтез білка і інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело вуглецю, вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково - технічних проблем.
Крім стабільних ізотопів карбону, в природі поширений радіоактивний 14 С (в організмі людини його міститься близько 0,1 мккюри). З використанням ізотопів карбону в біологічних і медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу вуглецю в природі. Так, за допомогою радіовуглецевого мітки була доведена можливість фіксації Н 14 СО 3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакції фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, простежено шляхи біосинтез багатьох біологічно активних сполук і т. д. Застосування 14 С сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14 С в вуглецевмісних органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.
Виконав: Серенко Андрій
Учень 11 «Б» класу
Перевірив: Комарчева Є.А.
Канськ
2005
План
1. Роль вуглеців в живій природі
2. Поширення в природі.
3. Фізичні і хімічні властивості.
4. Роль вуглеводів у живій природі.
1. Роль вуглеців в живій природі
Вуглець (лат. Carboneum), С - хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва. Відомі два стабільних ізотопи 12 С (98,892%) та 13 С (1,108%).Карбон відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовуватися графіт для виготовлення олівців.
У 1778 К. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) по вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Карбон як хімічний елемент був визнаний тільки в 1789 А. Лавуазье. Латинська назва сarboneum карбон отримав від сarbo - вугілля.
2. Поширення в природі.
Середній вміст вуглецю в земній корі 2,3 * 10 -2% по масі (1 * 10 -2 в ультраосновних, 1 * 10 -2 в основних, 2 * 10 -2 в середніх, 3 * 10 -2 в кислих гірських породах). Карбону нагромаджується у верхній частині земної кори (біосфері): в живій речовині 18% карбону, в деревині 50%, в кам'яному вугіллі 80%, в нафті 85%, антрациті 96%. Означає частина карбону літосфери зосереджена у вапняках і доломітах.Число власних мінералів вуглецю - 112; виключно велике число органічних сполук карбону - вуглеводородів і їх похідних.
З накопиченням карбону в земній корі пов'язане накопичення і багатьох інших елементів, сорбуємість органічною речовиною і осаждающихся у вигляді нерозчинних карбонатів і т.д.
У порівнянні з середнім вмістом в земній корі людство у виключно великих кількостях витягує карбон з надр (вугілля, нафта, природний газ), так ці копалини - основні джерела енергії.
Карбон широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце після водню, гелію і кисню.
3. Фізичні і хімічні властивості.
Відомі чотири кристалічні модифікації вуглецю: графіт, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. При кімнатній температурі і нормальному тиску (0,1 Мн / м 2, або 1 кгс / см 2) графіт термодинамічно стабільний. Алмаз - дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентрированную грати: а = 3,560 Б. При кімнатній температурі і нормальному тиску алмаз метастабільний. Помітне перетворення алмаза в графіт спостерігається при температурах вище 1400 ° С у вакуумі або в інертній атмосфері. При атмосферному тиску і температурі близько 3700 ° С графіт переганяється. Рідкий карбон може бути отриманий при тиску вище за 10,5 Мн / м 2 (1051 кгс / см 2) і температурах вище 3700 ° С. Для твердого вуглецю (кокс, сажа, деревне вугілля) характерно також стан з неврегульованою структурою "аморфний" вуглевод, який не являє собою самостійної модифікації; в основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів "аморфного" вуглеводу вище за 1500-1600 ° С без доступу повітря викликає їх перетворення в графіт. Фізичні властивості "аморфний" вуглеводу дуже сильно залежать від дисперсності частинок і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність "аморфний" вуглеводу завжди вище, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9 - 2 г / см 3). Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно; його структура і властивості остаточно не встановлені.Конфігурація зовнішньої оболонки атома вуглецю 2s 2 2p 2. Для карбону характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, зумовлене збудження зовнішньої електронної оболонки до стану 2sp 3. Тому карбон здатний в рівній мірі як притягати, так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2 - і sp-гібридних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4,3 і 2. Число валентних електронів карбону і число валентних орбіталей однаково; це одна з причин стійкості зв'язку між атомами вуглецю.
Унікальна здатність атомів карбону сполучатися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного числа різноманітних з'єднань карбону, що вивчаються органічною хімією.
У сполуках карбон проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус 0,77 Б, ковалентні радіуси 0,77 Б, 0,67 Б, 0,60 Б відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонної радіус З 4 - 2,60 Б, З 4 + 0,20 Б. При звичайних умовах карбон хімічно інертний, при високих температурах він сполучається з багатьма елементами, виявляючи сильні відновні властивості.
Всі форми карбону стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентриров. HNO 3 та KCIO 3 та ін.) "Аморфний" вуглець реагує з фтором при кімнатній температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. Безпосередньо з'єднання вуглецю з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом і йодом вуглець не реагує, тому численні вуглецю галогеніди синтезують непрямим шляхом. З оксигалогенідов загальної формули COX 2 (де Х - галоген) найбільш відома хлорокис COCI 2 (фосген).
При температурах вище 1000 ° С карбон взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди. Всі форми карбону при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb тощо) або карбідів (CaC 2, Mo 2 C, WC , TaC та ін.) Карбон реагує при температурах вище 600 - 800 ° С з водяною парою і вуглекислим газом.
Всі форми карбону нерозчинні в звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).
4. Роль вуглеводів у живій природі.
Вуглець - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя на Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть участь в побудові організмів і забезпеченні їх життєдіяльності (біополімери, а також численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та ін.) Значну частину необхідної організмам енергії утвориться в клітках за рахунок окислення вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук.
Унікальна роль карбону в живій природі зумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден інший елемент періодичної системи. Між атомами вуглецю, а також між карбоном і іншими елементами утворяться міцні хімічні зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними). Здатність карбону утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з іншими атомами. Карбон створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що усього три елементи - С, О, Н - становлять 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих сполук невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє на багато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома карбону лежить в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).
Згідно з гіпотезою А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами карбону служили (СН4) і ціанистий водень (HCN), що містилися в первинній атмосфері Землі. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного вуглецю, за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є карбону двоокис (СО 2), що знаходиться в атмосфері, а також розчинений в природних водах у вигляді НСО 3. Найбільш могутній механізм засвоєння (асиміляція) карбону (в формі СО2) - фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими рослинами. На Землі існує і еволюційне більш древній спосіб засвоєння СО 2 шляхом хемосинтезу; в цьому випадку мікроорганізми - хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних сполук. Більшість тварин споживають карбон з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. У залежності від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізнювати автотрофні організми і гетеротрофні організми. Застосування для біосинтез білка і інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело вуглецю, вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково - технічних проблем.
Крім стабільних ізотопів карбону, в природі поширений радіоактивний 14 С (в організмі людини його міститься близько 0,1 мккюри). З використанням ізотопів карбону в біологічних і медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу вуглецю в природі. Так, за допомогою радіовуглецевого мітки була доведена можливість фіксації Н 14 СО 3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакції фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, простежено шляхи біосинтез багатьох біологічно активних сполук і т. д. Застосування 14 С сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14 С в вуглецевмісних органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.