Вуглець 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Вуглець

«Вуглець зустрічається в природі як у вільному, так і в сполученому стані, у вельми різних формах і видах. У вільному стані вуглець відомий принаймні у трьох видах: у вигляді вугілля, графіту і алмазу. У стані сполук вуглець входить до складу так званих органічних речовин, тобто безлічі речовин, що знаходяться в тілі всякого рослини і тварини. Він знаходиться у вигляді вуглекислого газу у воді та повітрі, а у вигляді солей вуглекислоти і органічних залишків у грунті і масі земної кори. Різноманітність речовин, що складають тіло тварин і рослин, відомо кожному. Віск і масло, скипидар і смола, бавовняна папір і білок, клітинна тканина рослин і м'язова тканина тварин, винна кислота і крохмаль - всі ці і безліч інших речовин, що входять в тканини і соки рослин і тварин, представляють з'єднання вуглецеві. Область сполук вуглецю така велика, що становить особливу галузь хімії, тобто хімії вуглецевих або, краще, углеводородістих сполук ».
Ці слова з «Основ хімії» Д.І. Менделєєва служать як би розгорнутим епіграфом до нашого розповіді про життєво важливому елементі - вуглеці. Втім, є тут одна теза, з яким, з точки зору сучасної науки про речовину, можна і посперечатися, але про це нижче.
Ймовірно, пальців на руках вистачить, щоб перерахувати хімічні елементи, яким не була присвячена хоча б одна наукова книга. Але самостійна науково-популярна книга - не яка-небудь брошурка на 20 неповних сторінках з обкладинкою з обгорткового паперу, а цілком солідний том обсягом майже в 500 сторінок - є в активі лише одного елемента - вуглецю.
І взагалі література по вуглецю - багатюща. Це, по-перше, всі без винятку книги та статті хіміків-органіків, по-друге, майже все, що стосується полімерів, по-третє, незліченні видання, пов'язані з горючими копалинами, по-четверте, значна частина медико-біологічної літератури. ..
Тому не будемо намагатися осягнути неосяжне (адже не випадково автори популярної книги про елемент № 6 назвали її «Невичерпне»!), А сконцентруємо увагу лише на головному з головного - спробуємо побачити вуглець з трьох точок зору.

Вуглець очима крісталлохіміка

Вуглець - один з нечисленних елементів «без роду, без племені». Історія спілкування людини з цією речовиною сягає часів доісторичні. Ім'я першовідкривача вуглецю невідомо, невідомо й те, яка з форм елементарного вуглецю - алмаз чи графіт - була відкрита раніше. І те й інше трапилося дуже давно. Безумовно стверджувати можна лише одне: до алмазу і до графіту було відкрито речовину, яка ще кілька десятиліть тому вважали третьою, аморфною формою елементарного вуглецю - вугілля. Але в дійсності вугілля, навіть деревне, це не чистий вуглець. У ньому є і водень, і кисень, і сліди інших елементів. Правда, їх можна видалити, але і тоді вуглець вугілля не стане самостійною модифікацією елементарного вуглецю. Це було встановлено лише в другій чверті нашого століття. Структурний аналіз показав, що аморфний вуглець - це по суті той же графіт. А значить, ніякий він не аморфний, а кристалічний; тільки кристали його дуже дрібні і більше в них дефектів. Після цього стали вважати, що вуглець на Землі існує у двох елементарних формах - у вигляді графіту і алмазу.
Вам ніколи не доводилося замислюватися про причини різкого «вододілу» властивостей, який проходить у другому короткому періоді менделєєвської таблиці по лінії, що відокремлює вуглець від наступного за ним азоту? Азот, кисень, фтор при звичайних умовах газоподібні. Вуглець - в будь-якій формі - тверде тіло. Температура плавлення азоту - мінус 210,5 ° C, а вуглецю (у вигляді графіту під тиском понад 100 атм.) - Близько плюс 4000 ° C. ..
Дмитро Іванович Менделєєв першим припустив, що ця різниця пояснюється полімерним будовою молекул вуглецю. Він писав: «Якби вуглець утворював молекулу З 2, як і О 2, то був би газом». І далі: «Здатність атомів вугілля з'єднуватися між собою і давати складні молекули проявляється у всіх вуглецевих з'єднаннях ... Ні в одному з елементів така здатність до ускладнення не розвинена в такій мірі, як у вуглеці. По сьогодні немає підстави для визначення міри полімеризації вугільної, графитной, алмазної молекули, тільки можна думати, що в них міститься C n, де n є велика величина ».
Це припущення підтвердилося в наш час. І графіт, і алмаз - полімери, що складаються з однакових, тільки вуглецевих атомів.
За чітким зауваженням професора Ю.В. Ходакова, «якщо виходити з природи подоланих сил, професію гранувальника алмазів можна було б віднести до хімічних професій». Дійсно, гранувальника припадають долати не порівняно слабкі сили міжмолекулярної взаємодії, а сили хімічного зв'язку, якими об'єднані в молекулу алмазу вуглецеві атоми. Будь-який кристал алмаза, навіть величезний, шестісотграммовий «Куллінан» - це по суті одна молекула, молекула у вищій мірі регулярного, майже ідеально побудованого тривимірного полімеру.
Інша річ графіт. Тут полімерна впорядкованість розповсюджується тільки в двох напрямках - по площині, а не в просторі. У шматку графіту ці площини утворюють досить щільну пачку, шари якої з'єднані між собою не хімічними силами, а більш слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Ось чому так просто - навіть від зіткнення з папером - розшаровується графіт. У той же час розірвати графітову платівку в поперечному напрямку досить складно - тут протидіє хімічний зв'язок.
Саме особливості молекулярної будови пояснюють величезну різницю у властивостях графіту і алмазу. Графіт відмінно проводить тепло і електрика, алмаз - ізолятор. Графіт зовсім не пропускає світла - алмаз прозорий. Якими б способами ні окисляє алмаз, продуктом окислення буде тільки СО 2. А окислюючи графіт, можна при бажанні отримати кілька проміжних продуктів, зокрема графітову (змінного складу) та меллітовую З 6 (СООН) 6 кислоти. Кисень як би вклинюється між шарами графітової пачки і окисляє лише деякі вуглецеві атоми. У кристалі алмазу слабких місць немає, і тому можливо або повне окислювання або повне не окислених - третього не дано ...
Отже, є «просторовий» полімер елементарного вуглецю, є «площинний». У принципі давно вже допускалося існування і «одновимірного» - лінійного полімеру вуглецю, але в природі він не був знайдений.
Його отримали зовсім недавно, вже в 60-і роки, радянські хіміки В.В. Коршак, А.М. Сдадков, В.І. Касаточкін і Ю.П. Кудрявцев. Нове речовина була синтезовано шляхом каталітичного окислення ацетилену. Лінійний полімер вуглецю назвали карбін. Зовні він виглядає як чорний дрібнокристалічний порошок, володіє напівпровідниковими властивостями, причому під дією світла електропровідність карбін сильно збільшується. На цій властивості засновано перше практичне застосування карбін - у фотоелементах. Важливо, що карбін не втрачає фотопровідності при температурі до 500 ° C; це набагато більше, ніж у інших матеріалів того ж призначення.
За словами першовідкривачів карбін, найскладнішим для них було визначити, якими ж зв'язками з'єднані в ланцюжок вуглецеві атоми. У ньому могли бути чергуються одинарні і потрійні зв'язки (- З ≡ С - С ≡ С - С ≡), а могли бути тільки подвійні (= С = С = С = С =). А могло бути і те й інше одночасно. Лише через кілька років Коршака та Сладково вдалося довести, що подвійних зв'язків у карбін немає. Однак, оскільки теорія допускала існування вуглецевого лінійного полімеру тільки з подвійними зв'язками, було б просто гріх не спробувати отримати цей різновид - по суті, четверту модифікацію елементарного вуглецю.
Ця речовина було отримано в Інституті елементоорганічних сполук АН СРСР. Новий лінійний полімер вуглецю назвали полікумуленом. Мабуть, ще рано робити припущення про можливі практичних застосуваннях «молодшого брата карбін» - дослідження його властивостей тривають, автори відкриття не поспішають з висновками.
Поки безперечно лише одне: існують чотири модифікації елементарного вуглецю, і кожна з них по-своєму цікава.

Вуглець очима хіміка-неорганіка

Цей елемент завжди чотиривалентним, але, оскільки в періоді він знаходиться якраз посередині, ступінь його окислення в різних обставинах буває то +4, то -4. У реакціях з неметалами він електроположітелен, з металами - навпаки. Навіть у тих випадках, коли зв'язок не іонна, а ковалентний, вуглець залишається вірний собі - його формальна валентність залишається як і раніше рівної чотирьом.
Дуже нечисленні з'єднання, в яких вуглець хоча б формально виявляє валентність, відмінну від чотирьох. Загальновідомо лише одне таке з'єднання - СО, чадний газ, в якому вуглець здається двовалентних. Саме здається, тому що насправді тут більше складний тип зв'язку. Атоми вуглецю і кисню з'єднані 3-ковалентного поляризованої зв'язком, і структурну формулу цієї сполуки пишуть так: О + ≡ С -.
У 1900 р. М. Гомберг отримав органічна сполука тріфенілметіл (C 6 Н 5) 3 C. Здавалося, що атом вуглецю тут трьохвалентний. Але пізніше з'ясувалося, що і на цей раз незвичайна валентність - суто формальна. Тріфенілметіл і його аналоги - це вільні радикали, тільки на відміну від більшості радикалів досить стабільні.
... Історично склалося так, що лише дуже небагато з'єднання вуглецю залишилися «під дахом» неорганічної хімії. Це окисли вуглецю, карбіди - його сполуки з металами, а також бором і кремнієм, карбонати - солі найслабшою вугільної кислоти, сірковуглець CS 2, ціанисті сполуки. Доводиться втішатися тим, що, як це часто буває (або бувало) на виробництві, недопрацювання за номенклатурою компенсує «вал». Дійсно, найбільша частина вуглецю земної кори міститься не в організмах рослин і тварин, не в вугіллі, нафті і всієї іншої органіки, разом узятої, а всього в двох неорганічних сполуках - вапняку CaCO 3 та доломіті MgCa (CО 3) 2. Вуглець входить до складу ще декількох десятків мінералів, досить пригадати про мармурі СаСО 3 (з добавками), малахіт Сu 2 (ОН) 2 СО 3, мінералі цинку Смітсон ZnCO 3 ... Є вуглець і в магматичних породах, і в кристалічних сланцях.
Дуже рідкісні мінерали, до складу яких входять карбіди. Як правило, це речовини особливо глибинного походження; тому вчені припускають, що в ядрі земної кулі є вуглець.
Для хімічної промисловості вуглець і його неорганічні сполуки являють значний інтерес - частіше як сировину, рідше як конструкційні матеріали.
Багато апаратів хімічних виробництв, наприклад, теплообмінники, виготовляють з графіту. І це природно: графіт має велику термо-і хімічну стійкість і при цьому чудово проводить тепло. До речі, завдяки цим же властивостям графіт став важливим матеріалом реактивної техніки. З графіту зроблені керма, що працюють безпосередньо в полум'я соплових апаратів. У повітрі запалити графіт практично неможливо (навіть у чистому кисні зробити це непросто), а щоб випарувати графіт потрібна температура, набагато вища, ніж розвивається навіть в ракетному двигуні. І, крім того, при нормальному тиску графіт, як і граніт, не плавиться.
Без графіту важко уявити сучасне електрохімічне виробництво. Графітові електроди використовуються не тільки електрометалургії, але і хіміками. Досить згадати, що в електролізерах, що застосовується для одержання каустичної соди і хлору аноди - графітові.
Про використання сполук вуглецю у хімічній промисловості написані багато книг. Карбонат кальцію, вапняк, служить сировиною у виробництві вапна, цементу, карбіду кальцію. Інший мінерал - доломіт - «праотець» великої групи доломітових вогнетривів. Карбонат і гідрокарбонат натрію - кальцинована і питна сода. Одним з основних споживачів кальцинованої соди була і залишається скляна промисловість, на потреби якої йде приблизно третина світового виробництва Na 2 CO 3.
І, нарешті, трохи про карбідах. Зазвичай, коли говорять карбід, мають на увазі карбід кальцію - джерело ацетилену, а, отже, численних продуктів органічного синтезу. Але карбід кальцію, хоча й саме відоме, але далеко не єдине дуже важливе і потрібне речовина цієї групи. Карбід бору В 4 С - важливий матеріал атомної техніки (докладніше про це див у статті «Бір».), Карбід кремнію SiC або карборунд - найважливіший абразивний матеріал. Карбіди багатьох металів властиві висока хімічна стійкість і виняткова твердість; карборунд, приміром, лише трохи поступається алмазу. Його твердість за шкалою Мооса дорівнює 9,5 ... 9,75 (алмаза - 10). Але карборунд дешевше алмазу. Його отримують в електричних печах при температурі близько 2000 ° C з суміші коксу і кварцового піску.

Вуглець очима хіміка-органіка

За словами відомого радянського вченого академіка І.Л. Кнунянца, органічну хімію можна розглядати як своєрідний міст, перекинутий наукою від неживої природи до вищої її формі - життя. А всього півтора століття тому кращі хіміки того часу самі вважали і навчали своїх послідовників, що органічна хімія це наука про речовини, що утворюються при участі і під керівництвом якоїсь дивної «матерії» - життєвої сили. Але скоро цю силу відправили на звалище природознавства. Синтези декількох органічних речовин - сечовини, оцтової кислоти, жирів, сахароподобние речовин - зробили її просто непотрібною.
З'явилося класичне визначення К. Шорлеммер, не втратило сенсу і 100 років потому: «Органічна хімія є хімія вуглеводнів та їх похідних, тобто продуктів, що утворюються при заміні водню іншими атомами або групами атомів».
Отже, органіка - це хімія навіть не одного елемента, а лише одного класу сполук цього елемента. Зате якого класу! Класу, поділився не тільки на групи і підгрупи - на самостійні науки. З органіки вийшли, від органіки відбрунькувалися біохімія, хімія синтетичних полімерів, хімія біологічно активних і лікарських сполук ...
Зараз відомі мільйони органічних сполук (сполук вуглецю!) І близько ста тисяч з'єднань всіх інших елементів, разом узятих.
Загальновідомо, що на вуглецевій основі побудована життя. Але чому ж саме вуглець - одинадцятий за поширеністю на Землі елемент - взяв на себе важку задачу бути основою всього живого?
Відповідь на це питання неоднозначна. По-перше «ні в одному з елементів такої здатності до ускладнення не розвинене в такій мірі, як у вуглеці». По-друге, карбон здатний з'єднуватися з більшістю елементів, причому найрізноманітнішими способами. По-третє, зв'язок атомів вуглецю між собою, так само як і з атомами водню, кисню, азоту, сірки, фосфору та інших елементів, що входять до складу органічних речовин, може руйнуватися під впливом природних факторів. Тому карбон безперервно круговращается в природі: з атмосфери - в рослини, з рослин - у тваринні організми, з живого - у мертве, з мертвого - в живе ...
Чотири валентності атома вуглецю - як чотири руки. А якщо поєдналися два таких атома, то «рук» стає вже шість. Або - чотири, якщо на освіту пари витрачено по два електрони (подвійний зв'язок). Або - всього дві, якщо зв'язок, як у ацетилені, потрійна. Але ці зв'язки (їх називають ненасиченими) подібні бомбу в кишені або джина в пляшці. Вони приховані до пори до часу, але в потрібний момент вириваються на волю, щоб взяти своє в бурхливої, азартній грі хімічних взаємодій і перетворень. Найрізноманітніші конструкції утворюються в результаті цих «ігрищ», якщо в них бере участь вуглець. У редакції «Дитячої енциклопедії» підрахували, що з 20 атомів вуглецю і 42 атомів водню можна отримати 366319 різних вуглеводнів, 366319 речовин складу C 20 H 42. А якщо в «грі» не шість десятків учасників, а кілька тисяч, якщо серед них представники не двох «команд», а, скажімо, восьми!
Де вуглець, там різноманіття. Де вуглець, там складності. І самі різні по молекулярної архітектурі конструкції. Простенькі ланцюжка, як в бутані СН 3 - CH 2 - СН 2 - СН 3 або поліетилені - СН 2 - СН 2 - CH 2 - CH 2 -, і розгалужені структури (найпростіша з них - ізобутан); кільця з чисто вуглецевим скелетом ( циклопропан, циклогексан, бензол) і ті ж кільця з «підвісками» (толуол, анілін); кільця, в які вклинилися сторонні атоми - гетероциклічні сполуки, наприклад тіофен C 4 H 4 S, і конгломерати всіляких кілець (найпростіший - нафталін, що складається з двох бензольних кілець). І все це структури найпростіші - амеби і інфузорії органічної хімії.
Якщо продовжувати аналогію з живою природою, то десь на рівні мохів та лишайників виявляться майже всі відомі зараз синтетичні полімери, наприклад нейлон:

або широко застосовувана в техніці тверда фенолформальдегидная смола резит:

А на вершині ускладнення - найголовніші для нас полімери: нуклеїнові кислоти і білки. Дуже складна і в більшості випадків ще не розшифрована остаточно їх структура. І кожне нове досягнення у цій галузі ще і ще раз нагадує не тільки про могутність сучасної науки, але й про надзвичайну складність завдань, що стоять перед тим, хто намагається осягнути сенс життя на молекулярному і субмолекулярному рівні. Згадайте хоча б про подвійної спіралі молекули ДНК або лабіринтової заплутаності чотирьох ланцюгів молекули гемоглобіну.
Кілька років тому відбулася подія світової важливості: був здійснений повний хімічний синтез молекули білка інсуліну.
Це один з найпростіших за будовою, але дуже важливий для життя білок. Він відповідальний за вуглеводний обмін в організмі.
У молекулі інсуліну два ланцюги, пов'язані дисульфідні (з двох атомів сірки) містком. Одна з ланцюгів складається з 21 амінокислоти, причому всередині неї є дисульфідні кільце. У складі іншої ланцюга - 30 амінокислот, також з'єднаних в строгій послідовності. Синтез першого ланцюга складався з 89 етапів-реакцій, другий - з 138. Нарешті, останньою, 228-м ступенем роботи було з'єднання ланцюгів.
Чи потрібно говорити, що ця робота зажадала безлічі праці і часу. А в живій клітині синтез однієї молекули білка (навіть набагато складнішою, ніж молекула інсуліну) займає всього 2 ... 3 секунди.
Не варто забувати ще про одну особливість білкового синтезу: зараз відомо більше 20 амінокислот - структурних блоків, з яких будується білкова молекула. Загальна умовна формула всіх амінокислот здається простенькою:

Але під значком R можуть ховатися різні групи атомів. Лише у найпростішому випадку, в молекулі гліцину, R - це атом водню, а наприклад у гістадіна R складається з 11 атомів:

Дуже важливий порядок з'єднання амінокислот в молекулі білка. Встановлено, наприклад, що одна з важких хвороб крові відбувається через те, що тільки в одному місці молекули гемоглобіну одна з амінокислот заміщена інший (глутамінова кислота - валіном).
У молекулах білків - багато тисяч атомів. Там обов'язково є водень, кисень, азот; дуже часто - сірка. Але основа цих молекул - завжди вуглець. І без вуглецю немає життя, у всякому разі - на Землі.
Є, правда, організми, в яких вміст елемента № 6 всього 0,1%. У рясці, яка затягує стоячий ставок, 2,5% вуглецю. Зате в більш високоорганізованому дзвіночку його вже 10,2%. В організмі миші на частку вуглецю припадає 10,77%, а кішки - майже вдвічі більше, 20,56%. Чи не це обставина лягло в основу загальновідомого явища, що полягає в тому, що кішка ловить мишку, а не навпаки?
Але жарти в сторону. Вуглець заслуговує ввічливого і серйозного ставлення. Хоча б тому що «елементами життя» іноді називають і калій, і фосфор, і азот. Але якщо так, то якого визначення заслуговує елемент, на основі якого дійсно побудовано все живе?

І тут одинадцятий

За поширеністю в земній корі - твердій оболонці на глибині до 16 км і в атмосфері на висоті до 15 км вуглець займає одинадцяте місце. Одинадцятий він і за поширеністю в атмосфері Сонця. А взагалі у космосі вуглецю досить багато. Радянські космічні станції «Венера-4», «Венера-5» і «Венера-6» встановили, що атмосфера ранкової зірки складається переважно з вуглекислого газу. Цей газ переважає і в атмосфері Марса. А ось в атмосферах Сатурна, Юпітера, Урана і Нептуна поряд з аміаком домінує інше з'єднання вуглецю - метан. Вуглець виявлений у складі метеоритів і комет. За допомогою спектроскопічних спостережень вуглець знайдений і на далеких зірках. У спектрах щодо холодних зірок не раз спостерігалися смуги поглинання, характерні для радикалів СН *, CN * і С 2 *. Не без підстав припускають, що радикали СН * і CN * є в газопилової середовищі, примусового міжзоряний простір.

Помічник металурга

Вуглець - не метал. Але за деякими характеристиками, зокрема по теплопровідності і електропровідності, графіт вельми «металлоподобен». Вуглець - не метал, і тим не менш це один з найважливіших для металургії елементів. Саме завдяки йому абсолютно непридатний як конструкційний матеріал м'яке, слабке залізо стає чавуном або сталлю. В останні десятиліття набули поширення так звані графітізірованниє стали, в структурі яких є вільні мікрокристали графіту. В основному ці стали йдуть на виробництво інструменту, колінчастих валів, штампів і поршнів, тому що їм властива більша, ніж у інших нелегованих сталей, міцність і твердість.
Як відновник вуглець застосовують не тільки у виробництві чавуну, але і багатьох кольорових металів. Практично в ролі відновника виступає кокс, в якому вуглецю 97 ... 98%. А ось деревне вугілля - перший, мабуть, відновник у чорній металургії - в кольоровій металургії нашого часу виступає в іншій якості. З нього роблять так званий покривний шар, що оберігає розплавлений метал від окислення.
Не обходиться без вуглецю і виробництво алюмінію - метал наростає на графітовому катоді.
А в доменному процесі зазвичай бере участь не тільки елементарний вуглець (у вигляді коксу), в і одне із з'єднань елемента № 6. Звичайні щільні вапняки застосовують як флюсів при виплавці чавуну із залізних руд, що містять як порожньої породи кремнезем і глинозем.

Поки що основа

Вугілля, нафта, горючі сланці, торф, природний газ - матеріальна основа теплоенергетики минулого, сьогодення і найближчого майбутнього. Тому що, як не райдужні перспективи атомної енергетики, ще досить багато років атом буде ходити в підсобних. Поки його частка у виробництві електроенергії порівняно мала. З часом ролі, мабуть, зміняться. Тоді «підсобниками» стануть нинішні гегемони - природні палива на вуглецевій основі. І, мабуть, прийде час, коли горючі копалини будуть цілком йти на хімічну переробку. Поки ж більша частина їх відправляється в топки і двигуни, які по суті теж топки.

Синтез алмазу

У грудні 1954 р. американська фірма «Дженерал електрик» повідомила, що співробітники цієї фірми Хол, Банді та інші отримали штучні алмази у вигляді дрібних трикутних пластин. Процес синтезу вели під тиском близько 100 тис. атм. і при температурі 2600 ° C. Каталізатором був тантал, а якщо говорити точніше, то алмаз з графіту отримували на тонкій плівці карбіду танталу, що утворювалася в ході алмазного синтезу.
Втім, ще раніше, в лютому 1953 р., перші штучні алмази отримала група Еріка Гуннара Лундблада (Швеція), але шведські вчені не поспішали з публікацією результатів своїх праць.
З тих пір, з середини 50-х років XX ст., Успішні роботи по промисловому синтезу алмазів ведуться в ряді країн. У нашій країні цю роботу очолили В.М. Бакуль і академік Л.Ф. Верещагін. У подарунок XXII з'їзду КПРС було виготовлено з вітчизняної технології 2000 каратів (карат - 0,2 г) синтетичних алмазів. Зараз у нашій країні випускається стільки технічних алмазів, скільки потрібно техніці. Відомо, наприклад, що в середині 70-х років Горьковський автомобільний завод витрачав на рік до 400 тис. каратів штучних алмазів. Один завод - 80 кг алмазів! Приблизно стільки ж «витрачав» їх Сестрорецький інструментальний завод і деякі інші підприємства.
У світі вже виробляються і синтетичні алмази ювелірної якості; обходяться вони набагато дорожче природних.
Промисловий синтез алмазів - велике досягнення науки і техніки. Вчені йшли до нього багато десятиліть. Більшість спроб, докладених у минулому, закінчувалися невдачею. Але були і проблиски. Про дві з них і про синтез алмазу в метеоритному речовині розповідають такі замітки.

Метеорит ... з'їли

Важливою віхою в усвідомленні можливості утворення алмазів поза земної кори послужило виявлення алмазних крупинок в метеориті, що впав 10 (за старим стилем) вересня 1886 біля села Новий Урей Краснослободського повіту Пензенської губернії (нині - Мордовська АРСР).
Крупинки алмазу були виявлені в метеоритному речовині викладачами Петербурзького лісового інституту доцентом-мінералогом Михайлом Васильовичем Єрофєєвим і професором хімії Павлом Олександровичем Лачинова (відомий найбільше роботами по холестерину, якими займався в останні роки життя).
Осколки метеорита «Новий Урей» були надіслані до Петербурга колишнім студентом Лісового інституту вчителем Павлом Івановичем Баришниковим.
Наводимо витяги з його листа директору Лісового інституту: «... Рано вранці кілька новоурейскіх селян верст за три від села орали поле своє ... Раптом зовсім несподівано сильне світло осяяло всю околицю; потім через кілька секунд пролунав страшний тріск, подібний гарматного пострілу або вибуху, за ним другий, сильніший. Разом з шумом в декількох сажнях від селян впав на землю вогняну кулю, вслід за цим кулею неподалік над лісом опустився інший, значно більше першого. Всі явище тривало не більше хвилини.
Перелякані від страху селяни не знали, що робити, вони попадали на землю і довго не наважувалися зрушити з місця ... Нарешті один з них, кілька підбадьорившись, відправився до того місця ... і, на подив своєму, знайшов неглибоку яму, в середині її, заглибившись до половини в землю, лежав дуже гарячий камінь чорного кольору. Тяжкість каменю вразила селян ...
Потім вони вирушили до лісу розшукати другий, більший камінь, але всі зусилля їх були марні: ліс у цьому місці представляє багато боліт і мочарів, і знайти аероліта їм не вдалося: по всій імовірності, він впав у воду.
Наступного дня один із селян того ж Урейского виселка відправився на своє поле подивитися копи гречки. Тут абсолютно випадково їм знайдений був такий же точно камінь, який принесли напередодні його сусіди. Камінь теж утворив навколо себе ямку; частина каменя була в землі ... Подальші пошуки селян в околицях Нового Урея не привели ні до чого. Отже, випало всього три шматки. Найбільший з них впав, без сумніву, в лісі в болото, другий за величиною, що впав при селян на ріллі, придбаний мною і відісланий Вам для мінералогічного кабінету інституту і, нарешті, третій, знайдений селянином у гречці, з'їдений ... Крупинки аероліта вважалися позитивно універсальними ліками. Поширилися безглузді чутки про «чудесне зцілення», вимоги на «Христом камінь» посилилися; щасливий власник метеорита користувався нагодою і продавав камінчик мало не на вагу золота, виявляючи при цьому слабкості цього завзятого аптекаря. Прийом «христова каменю» проводився таким чином: пацієнт, купивши нікчемний шматочок метеорита, толок та розтирав його в порошок і потім, змішавши з водою, благоговійно випивав, творячи молитву і хресне знамення ... »
За відкриття алмазів у метеориті Російська Академія наук присудила Єрофеєву і Лачинова премії Ломоносова. А будь-яких слідів того, що хоч хто-небудь звернув увагу на безпросвітну темряву селян, історія не зберегла.
Небесне тіло (вірніше, його частина), прислане Баришниковим в інститут, важило 1762,3 г; пізніше були отримані ще два осколки - вагою 21,95 і 105,45 р. Не рахуючи двох десятків грамів, витрачених Єрофєєвим і Лачинова на аналізи, метеорит зберігся.
Його можна бачити і зараз у Ленінградському гірському музеї.

Ми пройшли такий досвід

До кінця XIX ст. число мінералів, відтворених людиною in vitro в лабораторному склі, давно перевалило за сотню. Кварц, рогову обманку, тридимит, циркон - всього 11 мінералів - отримав перший професор Петербурзької військово-медичної академії Костянтин Дмитрович Хрущов. Він у числі перших ввів у практику лабораторних робіт з синтезу мінералів високий тиск. Саме Хрущов винайшов пристрій, що відігравало важливу роль протягом багатьох десятиліть: олстостенную сталеву «бомбу» з гніздом, в яке вставляється платинова пробірка з реактивами, і масивної загвинчується сталевий пробкою. Будучи нагрітий до червоного розжарювання, такий посудину здатний місяцями витримувати тиск реагують в платиновому вкладиші речовин.
На початку 90-х років Хрущов зробив спробу повторити «експеримент» природи, що призводить до появи в метеоритах алмазних крупинок (після відкриття Єрофєєва і Лачинова, що досліджували кам'яний метеорит, такі ж знахідки були зроблені в речовині залізних метеоритів). Але для цієї спроби сталева «бомба» вже не годилася.
Ось витяги з доповіді К.Д. Хрущова, зробленого ним 4 березня 1893 на засіданні Санкт-Петербурзького імператорського мінералогічного суспільства: «На підставі знахідок в метеориті можна було прийти до думки, що під сильним тиском вуглець може виділятися з розчину в металі у вигляді алмазу. Ми пройшли такий досвід. Наситивши кипляче срібло вуглецем, якого розчинилося шість відсотків, я швидко охолодив масу. Тиск в її середині не могло не підвищитися під дією кірки, відразу ж затверділої зовні. Настало потім, розчинення отриманого злитка показало, що частина виділився вуглецю має властивості алмазу.
Порошок його складається з прозорих безбарвних кристалічних осколків і платівок, сильно заломлюючих світло, абсолютно ізотропних, дряпають корунд і згорають в вуглекислоту з незначним залишком золи ».

Ще про швидкому охолодженні

У тому ж 1893 р. інший учений, паризький професор-хімік Анрі Муассан виконав такий же досвід, як і Хрущов (Муассан закінчив свою роботу дещо раніше, саме йому належить перша публікація).
Маючи в своєму розпорядженні кращим з можливих на той час джерелом нагріву - винайденої їм електричної дугової піччю, Муассан вирішив розчинити вуглець (цукровий вугілля) у киплячому залозі. Глибоким переконанням цього видатного вченого (до речі, іноземного члена-кореспондента Російської Академії наук.) Було сформульоване ним наукове правило: «Досвід повинен виходити завжди!» Це означає, що результати експерименту, цього експерименту, що відповідає непорушним законам природи, повинні бути так само постійні , як і ці закони.
А раз так, то все, що не відноситься до самої суті досвіду, особливого значення не має.
Ймовірно, виходячи з цього переконання, Муассан і застосував у своєму досвіді дещо незвичну для наукової лабораторії, але зате гранично просту «систему охолодження» розплавленого заліза. Він поставив на підлозі в лабораторії табурет, на нього дерев'яну балію, в балію налив водопровідну воду. І коли прийшов час охолоджувати кипляче залізо з розчиненим у ньому вуглецем, професор підняв кліщами тигель і вилив його вміст в балію з водою! На щастя, Муассан все-таки надів перед цим окуляри і фартух, а загоревшуюся на ньому одяг вдалося загасити.
Коли безформний злиток, що залишився в помийниці після вибуху, була розчинена в кислотах, з нього виділили кілька крупинок. Вони тонули в рідини з питомою вагою три, дряпали рубін і корунд, майже цілком згорали в кисні ...
Такі два випадки з історії штучного алмазу.

Кандидат у найміцніші?

У 1975 р. були опубліковані розрахунки, проведені радянськими хіміками В.В. Коршаком, В.І. Касаточкіним і К.Є. Перепелкин, згідно з якими найбільша теоретична міцність з усіх наявних на Землі речовин повинна бути у лінійного полімеру вуглецю - карбін. Зрозуміло, такий ультра міцний карбін повинен бути виготовлений у вигляді бездефектних ниткоподібних кристалів. Раніше вважали, що теоретично саме міцне речовина - графіт (13 тис. кг / мм 2), для карбін ж обчислена величина граничної міцності майже вдвічі більше - 22 ... 23 тис. кг / мм 2.
Що потрібно, щоб матеріал був дуже міцним? По-перше, високі значення енергії хімічних зв'язків. По-друге, спрямування цих зв'язків повинні по можливості збігатися і йти вздовж осі кристала. По-третє, якщо речовина полімерного будови, потрібно, щоб ступінь його полімеризації була високою. Четверте обов'язкова умова - відсутність в макромолекулі «слабких місць» і слабких зв'язків. Всі ці умови дотримані в карбін, тому рекордні значення розрахункової теоретичної міцності, загалом, не дивні.

Карбін в природі

У 1970 р. геофізики з Інституту Карнегі виявили в метеоритному кратері Рис на території ФРН новий мінерал, що складається на 99,99% з вуглецю. Але це, безумовно, не були ні алмаз, ні графіт. Дослідження показали, що мінерал з кратера Рис швидше за все являє собою природну різновид синтезованого кількома роками раніше карбін.

Вік - по 14 З

Метод визначення віку історичних знахідок за вмістом у них радіоактивного ізотопу вуглецю 14 С розроблено відомим фізиком, лауреатом Нобелівської премії Френком Уіллардом Ліббі.
Вуглець-14 - один з природних радіоактивних ізотопів, період його напіврозпаду 5570 років.
Потік космічних протонів, що летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла, безперервно бомбардує Землю. Вже у верхніх шарах атмосфери протони стикаються з ядрами азоту і кисню. При таких зіткненнях атоми руйнуються, в результаті чого виходять вільні нейтрони, моментально захоплювані ядрами елементів повітря, в першу чергу, звичайно, ядрами атомів азоту. І тоді відбувається одне з чудес, визнаних наукою, - взаємоперетворення елементів: азот стає вуглецем, тільки не простим, а радіоактивним вуглецем-14.
Ядра вуглецю-14, розпадаючись, випускають електрони і знову перетворюються в ядра азоту.
Знаючи період напіврозпаду ізотопу, неважко підрахувати, скільки його губиться за будь-який проміжок часу. Підрахували, що за рік на Землі розпадається приблизно 7 кг радиоуглероду. Це означає, що на нашій планеті природним шляхом підтримується постійна кількість цього ізотопу - в результаті ядерних реакцій, що йдуть в атмосфері, Земля щороку «купує» близько 7 кг 14 С.
Земна атмосфера вуглецем не багата. У ній всього 0,03% (за об'ємом) двоокису вуглецю СО 2. Але в перерахунку на вагу це не так уже й мало: загальний вміст вуглецю в атмосфері - близько 600 млн т. І в кожному більйон молекул атмосферної СО 2 є один атом 14 С. Ці атоми разом зі звичайними засвоюються рослинами, а звідти потрапляють в організми тварин і людини. У будь-якому живому організмі є радиоуглероду, який поступово розпадається і оновлюється. У грамі «живого» вуглецю кожну хвилину відбуваються 14 актів радіоактивного розпаду. Досвід показує, що концентрація цього ізотопу однакова в усьому живому на нашій планеті, хоча в силу деяких геофізичних причин радиоуглероду «приземляється» переважно в полярних районах.
Але ось організм гине і перестає бути ланкою безперервно йде на Землі круговороту вуглецю. Новий радиоуглероду в нього вже не надходить, а радіоактивний розпад триває. Через 5570 років кількість радиоуглероду в відмерлих організмів зменшиться вдвічі, і в грамі вуглецю, витягнутого з дерева, зрубаного 5570 років тому, чутливі лічильники за хвилину зафіксують вже не 14, а лише 7 актів розпаду. Тому за допомогою радиоуглероду можна визначити вік практично будь-якого предмета, зробленого з матеріалів рослинного чи тваринного походження.
Датування предметів старовини по радиоуглероду надзвичайно зручна і досить точна. Причиною тому період напіврозпаду 14 С - 5570 років. Вік людської культури - величина такого ж порядку ...
Цей метод допоміг визначити дати давніх вулканічних вивержень і час вимирання деяких видів тварин. Він допоміг викрити не одну археологічну підробку, коли за свідоцтва давнину видавалися, наприклад, черепи з підпиляними зубами.
Але головною заслугою методу слід, мабуть, вважати встановлення часу льодовикових періодів.
Радіовуглецеві вимірювання показали: за останні 40 тис. років на Землі було три льодовикових періоду. Найпізніший - приблизно 10400 років тому. З тих пір на Землі відносно тепло.

Свідоцтво Фрідріха Велера

Цей німецький хімік, синтезувавши в 1824 р. сечовину, пробив перший пролом у вченні віталістів (від vitalis - життєвий), які вважали, що не можна отримати органічні речовини без допомоги «життєвої сили». Щоправда, ті не розгубилися і оголосили, що, мовляв, сечовина - покидьок організму, і тому її можна синтезувати і без допомоги «життєвої сили». Але в середині XIX ст. це вчення стало «тріщати по швах» під натиском все нових і нових органічних синтезів. Проте до появи теорії хімічної будови, створеної Олександром Михайловичем Бутлеровим, в середовищі органіків панував розбрат. Теорії народжувалися і вмирали з частотою метеликів-одноденок.
Відомі слова Велера, сказані в 1835 р.: «Органічна хімія може нині кого завгодно звести з розуму ... вона представляється дрімучим лісом, повним чудових речей, величезною хащами без виходу, без кінця, куди не насмілюється проникнути ».

Ізомерія і запах

Речовини однакового складу, але різного просторового розташування називають ізомерами. Про те, як позначається ця різниця на властивостях, можна судити на прикладі досить простого органічної сполуки - ваніліну та його аналога ізованіліна. Ванілін - одне з найбільш відомих запашних речовин, його приємний запах знаком, мабуть, усім. А ізованілін при нормальних умовах майже не пахне, якщо ж його нагріти, пошириться малоприємний запах, подібний запаху карболки. Аромати разюче відрізняються, а різниці в складі немає:

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
78.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Вуглець
Вуглець Аллотропние модифікації
Характеристика хімічного елемента 6 Вуглець
Характеристика хімічного елемента 6 Вуглець
Вуглець і його основні неорганічні сполуки
Мас спектрометричних оцінка рівня включення дейтерію і вуглець
© Усі права захищені
написати до нас