Углерод — один из тех элементов, которые изменили мир и нашу жизнь, в целом. Если оглянуться вокруг, то можно увидеть большое количество изделий и материалов, сделанных из углерода и его соединений: грифели карандашей, резина, чугун, сталь, обувь, ювелирные изделия и даже человеческий организм состоит из атомов углерода.
Рассмотрим подробнее свойства и особенности строения. Углерод- химический элемент четырнадцатой группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (по IUPAC). Расположен во втором периоде, следовательно, имеет два энергетических слоя, причем на внешнем уровне находится 4 валентных электрона. В соединениях углерод принимает чаще всего II или IV валентность. Углерод проявляет и окислительные, и восстановительные свойства.
Окислительные: Восстановительные:
3С + 4Аl = Al4C3 (карбид алюминия) 2C+ O2 = 2 CO; (оксид углерода (II)
Ca + C = CaC2 (карбид кальция) C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O
Углеродные соединения играют немаловажную роль в повседневной жизни. К важнейшим углеродным соединениям можно отнести угарный, углекислый газы, метан и многие другие. Так, например, из углекислого газа и воды получают угольную кислоту, которая представляет непрочное соединение. Это вещество применяют при изготовлении газированных напитков. Более того, многие лекарства содержат угольную кислоту в составе: карбамид, мел, углекислый натрий. Из солей угольной кислоты изготавливают кристаллическую соду, которая содержится в природе, используют для стекольной, мыловаренной и текстильной промышленности.
Нефть — ископаемый ресурс черного цвета, в состав которого входят углеводороды и другие соединения. Чтобы добыть нефть, используют технологии: первичная и вторичная перегонки. В основе первичной лежит разница температур кипения, таким образом, существуют шесть фракций: газовая, газолиновая, лигроиновая, керосиновая, дизельная и мазут. Так, продукты газовой фракции используют в быту: отопления домов, различные горелки, что касается газолиновой, то получают автомобильное топливо. Лигроиновой фракцией получают горючее для тракторов, керосиновой — горючее для реактивных самолетов и ракет, а также, лампы, дизельная способствует получению дизельного топлива. Мазут используется в качестве смазочного средства, вазелина, парафина, а остаток после отгонки мазута — гудрон для дорожных и строительных битумов (асфальт). Тем самым, добывая нефть первичной перегонкой получают множество продуктов.
Вторичная перегонка — это каталитический и термический крекинг (расщепление алканов на алкены и алканы при высокой температуре либо в присутствии катализатора), с помощью которого получают для автомобилей бензин высокого качества, моторное топливо и смазочные масла.
Рис. 1
Добывая нефть, одновременно выделяется и природный газ — полезное ископаемое, содержащее углеводороды, из — за чего его называют попутным. К физическим свойствам можно отнести отсутствие цвета и запаха, что является причиной трудного определения утечки газа. Большую часть состава, а именно около 90 %, природного газа занимает метан, но также присутствуют его гомологи, такие как этан, пропан и бутан. Преимущество использования природного газа в том, что он — экологически чище в качестве топлива, чем бензин, и легче транспортируется.
Говоря о ресурсах нашей планеты, нельзя не упомянуть уголь, который является третьим энергоресурсом. Основной технологией добычи угля являются шахты (закрытый способ), в результате которого получается уголь высокого качества, однако такой способ является опасным, поскольку антрацит, например, добывают на глубине больше 3-х километров. Гораздо безопаснее и дешевле является открытый способ, однако карьерные разработки не позволяют получить уголь высокого качества.
Карбонат кальция в природе встречается в виде мела, мрамора и известняка. Со времен глубокой древности люди используют в строительстве известняк. Парфенон в Афинах, который считается красивым античным храмом, сооружен из мрамора. Мрамор (устойчивый материал) имеет формулу CaCO3, но под воздействием кислотных дождей разрушается, поэтому здания необходимо покрывать специальными красками, эпоксидными пленками и эмалью. Тадж — Махал — это комплекс зданий и сооружений в Индии. Построенное из белого мрамора сооружение, запомнится в памяти надолго у тех, кто посетит это уникальное своею красотой здание.
У углерода больше всего аллотропных модификаций. К известным и изученным относятся алмаз и графит. Алмаз представляет собой минерал, который имеет кубическую форму. Главная отличительная особенность — высокая твердость. По шкале твердости Мооса, алмаз является самым твердым природным материалом. К физическим свойствам можно отнести прозрачность, низкую электропроводность и отсутствие свободных электронов. Необычайная твердость позволяет алмазу быть абразивным материалом. Также он используется для изготовления буровых коронок. Трудно представить ювелирную промышленность без этого сверхтвердого минерала. Ограненные алмазы называются бриллиантами, которые известны благодаря ювелирным и декоративным украшениям.
Графит, так же, как и алмаз, состоит из атомов углерода. Но из- за различного расположения атомов обладает совершенно иными свойствами. Так, например, графит изначально имеет мягкую структуру. Главная характеристика графита — способность проводить электрический ток. В ядерной промышленности графит играет немаловажную роль, так как он способен замедлять нейтроны. В электролизе графит используется в составе электрода. Таким образом, графит дает возможность получать химические соединения через электролиз. Кроме того, графит нашел свое применение в производстве стержней для обычных карандашей, красок и смазок. Графитовая краска уникальна тем, что способна создавать матовую поверхность. Такая краска обеспечивает антикоррозийные свойства и экологическую безопасность для организма человека. Фуллерены — молекулярные соединения, которые состоят из замкнутых выпуклых многогранников. Фуллерены хорошо поглощают ультрафиолетовое излучение. Будучи антиоксидантами, фуллерены могут использоваться в косметической сфере.
Помимо этого, фуллерены используются для создания фоторезисторов (полупроводниковый прибор, который способен изменять сопротивление под воздействием света). В свою очередь, благодаря фоторезисторам, работает уличное освещение и турникеты. А также для создания новых лекарств, в фармакологии люди активно применяют эти сферические соединения из углерода.
Рис. 2. [https://www.metapowershop.ru/wp-content/uploads/c60-min-270x270.png]
Перейдем к карбинам — третьей аллотропной модификации углерода. Особенность карбина заключается в том, что при высоких температурах может сохранять свои свойства. Из-за чего карбин может использоваться в фотоэлементах. При нагревании карбин может перейти в графит. Основываясь на уникальных свойствах, карбин может использоваться в различных областях. Например, электроника, медицина и авиация.
Рассмотрим полимеры, которые являются высокомолекулярными химическими соединениями. В целом, полимерам свойственны эластичность, гибкость и высокая вязкость в растворах. Большая часть полимеров является диэлектриками, не проводящими электрический ток, также они отличаются низкой теплопроводностью.
Полиэтилен низкого давления обладает прочностью, жесткостью и химической устойчивостью. Поверхность его блестящая, а цвет от белого до прозрачного. Говоря о применении, полиэтилен используют в изготовлении тонких пленок, толщина которых очень мала. Более того, из него создаются упаковки, которыми пользуется каждый. В косметической, пищевой промышленности также применяют полиэтилен низкого давления.
А полиэтилен высокого давления — очень мягкий, легкий материал с характерной эластичностью и пластичностью. Посредством подобного полиэтилена, создаются пищевые и технические пленки. Недостаток состоит в том, что на него отрицательно влияют жиры, ультрафиолетовое излучение и масла, а преимущество заключается в том, что он более безопасный для организма при контакте.
Полипропилен, в свою очередь, относится к синтетическим веществам химического производства, который производят из пропилена путем полимеризации. Отличительные черты для этого синтетического пластика: диэлектрические свойства, высокая прочность, прозрачность и отсутствие токсичности, что, без сомнения, положительно влияет на здоровье человека.
Кроме того, он нашел успешное применение и в фармакологии: необходимое оборудование, такое как шприцы, ингаляторы, пробирки, чашки Петри, создается именно из полипропилена, поскольку данные медицинские принадлежности могут быть стерилизованы для избавления от микроорганизмов.
Полистирол является другим полимером, представляющий пластик, с высокими диэлектрическими способностями, как и полипропилен. Его достоинства: легко формируется, склеивается, устойчив к щелочам и кислотам, также в отличие от полипропилена, обладает высокой морозоустойчивостью. В промышленности полистирол получают методом полимеризации, безотходным производством.
В строительстве из полистирола изготавливают пенопласт, который, в свою очередь, применяется для утепления стен, а также для звукоизоляции. Помимо этого, уже давно витрины магазинов переполнены игрушками для детей, упаковками и одноразовой посудой, которая выполнена из полистирола.
Другая разновидность полимеров оргстекло, материал, синтезирующийся промышленным путем. Оргстекло или органическое стекло отличается от привычного нам всем отсутствием осколков, более того, он намного легче. Через оргстекло свет проникает лучше, что, безусловно, является преимуществом использования данного вида стекла в быту. Из органического стекла создаются самые необычные формы, которые даже трудно представить, потому что этот материал легко поддается обработке. Дизайнерам настолько понравился материал, что они начали использовать его в создании предметов интерьера и дизайна. Так, столики, витражи, аквариумы, мебель из оргстекла понравятся многим покупателям.
Контактные линзы и очки, служащие для зрения, выполняются из оргстекла. Что касается пищевой промышленности, то питьевые стаканы для напитков и воды изготовляются исключительно из акрила.
Углерод- уникальный элемент, возможности которого еще не до конца изучены. В этой статье была описана только малейшая часть особенностей углерода. Но можно с уверенностью сказать, что этот элемент изменил и изменит нашу жизнь в лучшую сторону.
Литература:
- Джон Браун «Семь элементов, которые изменили мир»
- http://fb.ru/article/298987/polietilen---eto-chto-takoe-primenenie-polietilena
- https://oplenke.ru/polipropilen-svojstva-vidy-sfera-primeneniya/
- https://polimerinfo.com/penopolistirol/polistirol-listovoj.html
- https://teplogalaxy.ru/polistirol/
- https://kotel.guru/uteplenie/utepliteli/polistirol-chto-eto-i-svoystva-takogo-materiala.html
- http://himege.ru/uglerod-xarakteristika-elementa-i-ximicheskie-svojstva/
- https://karatto.ru/dragotsennye-kamni/almaz.html
- https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/fulleren-allotropnaya-forma-ugleroda/
- https://teplogalaxy.ru/orgsteklo/
- https://polimerinfo.net/orgsteklo/
- avtonov.info/dimetilefir-v-kachestve-topliva
