Углерод — характеристика элемента и химические свойства. Анализ вод Где провести исследование общего органического углерода

Углерод (С) – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз – одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа .

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s 2 2s 2 2p 2 . Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р х, а другой, либо 2р у , либо 2р z -орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную 2р. Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют sp 3 -гибридизацией, а возникающие функции – sp 3 -гибридными. Образование четырех sp 3 -cвязeй обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три р-р- и одна s-s-связи. Помимо sp 3 -гибридизации у атома углерода наблюдается также sp 2 — и sp-гибридизация. В первом случае возникает взаимное наложение s- и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp 2 — гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости sp 2 .

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

Аллотрорпия углерода. Алмаз и графит

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp 2 -гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества .

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

— с кислородом
C 0 + O 2 – t° = CO 2 углекислый газ
при недостатке кислорода — неполное сгорание:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O угарный газ

— со фтором
С + 2F 2 = CF 4

— с водяным паром
C 0 + H 2 O – 1200° = С +2 O + H 2 водяной газ

— с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

— с кислотами – окислителями:
C 0 + 2H 2 SO 4 (конц.) = С +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
С 0 + 4HNO 3 (конц.) = С +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

— с серой образует сероуглерод:
С + 2S 2 = СS 2 .

Углерод как окислитель:

— с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

— с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

C 0 + 2H 2 = CH 4

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО 3 , доломита – MgCO 3 *CaCO 3 ; гидрокарбонатов – Mg(НCO 3) 2 и Са(НCO 3) 2 , СО 2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С 4+ , ни С 4- ‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II) СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение
1) В промышленности (в газогенераторах):
C + O 2 = CO 2

2) В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH = H 2 O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

1) с кислородом

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) с оксидами металлов

C +2 O + CuO = Сu + C +4 O 2

3) с хлором (на свету)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (фосген)

4) реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5) с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Оксид углерода (IV) СO 2

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H 2 O растворяется 0,9V CO 2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO 2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Получение

Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

Химические свойства СO 2
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯(белый осадок) + H 2 O

Оно исчезает при длительном пропускании CO 2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Сa(HCO 3) 2

Угольная кислота и её соли

H 2 CO 3 — Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Двухосновная:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты
HCO 3 — ↔ H + + CO 3 2- Cредние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Качественная реакция — «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2 .

Be 2 C и Al 4 C 3 разлагаются водой с образованием метана:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4 .

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W 2 C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

C= O: [:C= N:] –

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды :
KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2 . Растворы цианидов окисляются до цианатов :

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

H-N=C=O; H-O-C= N:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты – гремучая кислота

H-O-N=C.
Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC) 2) используются в ударных воспламенителях.

Синтез мочевины (карбамида):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. При 130 0 С и 100 атм.

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H 2 CO 3 – слабая кислота (К 1 =1,3·10 -4 ; К 2 =5·10 -11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 — .

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (тв.) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na 2 CO 3) используется в производстве стекла.

Скотт Стеггенборг, Университет штата Канзас, США

Углерод — основной структурный элемент всего живого. Углерод присутствует в атмосфере, тканях растений и животных, неживом органическом веществе, ископаемом топливе, камнях, он растворен в водах океана. В росте растений, да и вообще в нашей жизни его присутствие занимает не последнее место. Все начинается с корня, а если он растет в почве с недостатком углерода, то ситуацию надо брать под особый контроль, иначе... На количество углерода в почве влияет все, даже обработка почвы.

Почвенный органический углерод

Переход молекул углерода из одной формы в другую известен как круговорот углерода (рис. 1). Растения получают из атмосферы углерод, который участвует в процессе фотосинтеза. Используя энергию солнца и углекислый газ (СО2) из атмосферы, растения преобразуют СО2 в органический углерод, что способствует росту стеблей, листьев и корней. Результатом жизненного цикла и гибели растений является накопление и разложение растительной ткани как на поверхности почвы, так и под ней (корни растений) и производство значительного количества почвенного органического углерода.

Почвы отличаются по количеству содержания в них почвенного органического углерода, спектр варьирования: от менее 1% в песчаных почвах до более 20% в заболоченных почвах. Естественный уровень содержания почвенного органического углерода в почвах Канзаса варьирует в пределах 1-4%. Сегодня в большинстве обрабатываемых земель Канзаса уровень содержания органического углерода составляет 0,5-2%.

Рис.1.Современный круговорот углерода. Все показатели выражены в гигатоннах и гигатоннах в год.

В Канзасе степные травы способствовали формированию толстого плодородного слоя почвы. Корни этих и других видов злаковых волокнистые. Они могут проникать на большую глубину, производя значительную часть своей биомассы под землей. Следовательно, высокий уровень органического углерода в почвах под естественными лугами встречается на глубине до нескольких сантиметров. Черный цвет, который ассоциируется с плодородием почвы — это показатель содержания органического углерода. По мере того как содержание органического углерода снижается, цвет почвы становится более светлым и отражает ее минеральный состав. Так, красный цвет почв на юго-востоке Канзаса и северо-востоке Оклахомы является индикатором более высокой концентрации железа и более низкого содержания почвенного углерода. В почвах, которые формируются под лесами, высокий уровень почвенного органического углерода, как правило, наблюдается в верхнем слое, в более глубоких слоях этот уровень ниже. Такое отличие обусловлено, прежде всего, накоплением опавших листьев, а также веток кустарников и деревьев на поверхности почвы.

Атмосферный углерод

Используя данные, полученные в результате исследования ледяного керна, а также данные, накопленные в ходе продолжительного отслеживания уровня содержания СО2 в атмосфере, ученые обнаружили существенные колебания уровня содержания его в атмосфере в течение 200 000 лет. В последние 1000 лет атмосферное содержание СО2 существенно возросло (рис. 2). В наши дни (2000 г.) уровень содержания СО2 составляет приблизительно 369 мг/л, и этот показатель выше, чем когда-либо в последнее тысячелетие. Что еще самое важное: такие беспрецедентные темпы роста настолько велики, что экосистема может оказаться неспособной адаптироваться к ним. Подобное повышение содержания СО2 объясняется расширением использования ископаемого топлива, расчисткой земель и изменениями в землепользовании, что наблюдается по всему миру. Наиболее существенный фактор, который обуславливает повышение содержания СО2 в атмосфере — это использование ископаемого топлива. При существующих темпах этого процесса, составляющих 1 трлн. кг, запасы ископаемого топлива будут исчерпаны в ближайшие 300-400 лет. По мере роста использования ископаемого топлива углерод, который был вне круговорота миллионы лет, поступает непосредственно в атмосферу. Со временем атмосферный углерод снова преобразуется в органический углерод или же попадет в океан — и будет достигнут новый баланс, но этот процесс может занять тысячи лет. В ближайшее время «новый» углерод будет оставаться в атмосфере в виде СО2. На основании современных атмосферных моделей можно сделать вывод, что полное использование запасов ископаемого топлива приведет к возрастанию концентрации атмосферного СО2 до пикового показателя, составляющего около 1 200 мг/л. Некоторые ученые считают, что эти концентрации будут еще выше. Такой рост уровня содержания СО2 заставил многих ученых предположить, что средние глобальные температуры начнут увеличиваться. В массовой прессе данный процесс называют глобальным потеплением. Так называемые парниковые газы — СО2, метан (СН4) и окись азота (N 2 O), которые содержаться в атмосфере, способствуют удержанию тепла, которое, как правило, отражается от поверхности земли. При более высокой концентрации этих газов тепло может не отдаваться, результатом чего является повышение глобальных температур. На настоящий момент изменения глобальных температур не существенны и не наблюдается никаких определенных тенденций к этому, но изменения уровня содержания СО2 полностью документально подтверждены и признаются большинством ученых.

Что можно сделать, чтобы замедлить процесс увеличения содержания СО2? Если мы задумаемся об источниках, из которых поступает СО2, и о том, куда он девается потом, наиболее очевидным решением будет сокращение его поступления путем снижения использования ископаемого топлива. Это уменьшит попадание СО2 в атмосферу. Со временем потребуются более эффективные и экологически чистые источники энергии, но текущие экономические аспекты использования ископаемого топлива ограничивают внедрение и развитие альтернативных источников. В будущем, когда мы разработаем технологии альтернативной энергии, массовое использование стоков углерода, возможно, поможет стабилизировать уровень содержания СО2 в атмосфере. Описание мировых резервов углерода (рис. 1) демонстрирует, что скопления углерода в глубинах океана — основной резерв, но его изменения могут занять миллионы лет. Помимо этого, наши возможности управлять этим резервом ограничены. Следующий по размерам резерв — почвенный органический углерод. Количество почвенного органического углерода в два раза превышает количество углерода, содержащегося в растительной биомассе (растения, деревья, сельскохозяйственные культуры, травы и т.д.). Одним из способов стабилизации атмосферного углерода могло бы быть внедрение по всему миру технологий, которые способствуют увеличению содержания почвенного углерода. Сколько углерода может удерживаться в почве Канзаса? Вопрос прост, но на него нет простого ответа. Потенциал накопления для этого вида почвы зависит от уровня содержания почвенного углерода на данный момент, концентрации СО2 в атмосфере и применяемых агротехнических приемов. Во многих почвах Канзаса результатом значительных потерь верхнего слоя, обусловленных эрозией и проведением многочисленных механических обработок, стало сокращение уровня содержания углерода более чем в два раза по сравнению с исходными показателями. При правильном управлении содержание органического углерода во многих почвах можно повысить. Потери почвенного углерода, которые произошли в первой половине ХХ столетия, были частично компенсированы во второй половине с усовершенствованием сберегающих технологий и интенсификацией систем земледелия (рис. 3). Правильное внесение удобрений и возделывание улучшенных гибридов и сортов также сыграли свою роль в накоплении почвенного органического углерода. Более высокая урожайность и интенсивность возделывания способствуют увеличению объема биомассы, которая проникает в почву, обеспечивая поступление большего объема материала, который может быть преобразован в почвенный углерод. На рис. 3 отображены прогнозы по уровням содержания почвенного углерода в зависимости от уровня использования технологии no-till на 1990 год. В почвах, которые обрабатываются по технологии no-till и на которых используются интенсифицированные системы возделывания, содержание почвенного углерода может увеличиваться на 1% в год. В настоящее время в штате Канзас с применением технологии no-till обрабатывается 10% сельскохозяйственных земель (общая площадь 8,2 млн. га), и на этих площадях дополнительно должно секвестрироваться 19 000 т углерода в год. При расширении использования технологии no-till и использования интенсифицированных систем возделывания углерод секвестрировался бы в больших объемах. В мире не существует потенциальной возможности использовать почву в качестве стока углерода, этот вариант остается кратковременным решением. Через какой-то период времени, возможно, через 30-50 лет, будет достигнут новый уровень баланса почвенного СО2, при котором будет сложно достигнуть дальнейшего накопления углерода. Более долгосрочным решением для стабилизации уровня атмосферного СО2 может стать снижение нашей зависимости от ископаемого топлива для получения энергии.

Секвестрация углерода: 9 наиболее задаваемых вопросов

1. Что подразумевается под секвестрацией углерода?

Секвестрация углерода — это, как правило, процесс трансформации углерода в воздухе (углекислый газ или ТО2) в почвенный углерод. Углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а также впитывается живыми растениями. Когда растение отмирает, углерод, находившийся в листьях, стебле, а также корнях, попадает в почву и становится почвенным органическим веществом.

2. Как секвестрация углерода может помочь избавиться от проблемы глобального потепления?

Атмосферный углекислый газ и другие газы, вызывающие парниковый эффект, являются ловушкой для тепла, которое отходит от поверхности земли. Это накопление тепла может привести к глобальному потеплению. Посредством секвестрации углерода уровень атмосферного углекислого газа снижается, а уровень почвенных органических веществ повышается. Если почвенный органический углерод не трогать, он может оставаться в земле многие годы как стабильное органическое вещество. Этот углерод секвестрируется позже или перемещается в хранилища, чтобы стать доступным для рециркулирования в атмосферу. Данный процесс снижает уровень СО2, а также возможность глобального потепления.

3. Какое воздействие секвестрация углерода может оказывать на газы, вызывающие парниковый эффект?

Было установлено, что сократить выбросы СО2 на 20% и более можно путем сельскохозяйственной почвенной секвестрации углерода.

4. Что сельхозпроизводители могут предпринять, чтобы повысить уровень секвестрации углерода?

Существует несколько способов достичь этого:

— no-till или минимальная обработка почвы;

— интенсивное повышение севооборотов и исключение летнего пара;

— буферные зоны;

— мероприятия по охране природы, которые будут способствовать снижению эрозии;

— использование культур, дающих много остатков (кукуруза, сорго обыкновенное, а также пшеница);

— использование покровных культур;

— выбор таких видов и гибридов, которые сохраняют больше углерода.

5. Что могут сделать фермеры для повышения секвестрации углерода?

Фермеры могут повысить секвестрацию углерода посредством:

— улучшения качества фуража;

— сохранения достаточного количества пожнивных остатков;

— сокращения чрезмерного выпаса.

6. Получат ли сельскохозяйственные работники вознаграждение за секвестрацию углерода?

Возможно, будет налажена коммерческая система предоставления кредитов фермерам, повышающим секвестрацию углерода. Также возможно, что правительство будет применять некоторые меры поощрения для производителей, чтобы стимулировать секвестрацию углерода. Но даже если бы не было никаких выплат, сельхозпроизводители увидели бы положительный эффект от внедрения методов повышения почвенных органических веществ:

— улучшение структуры и качества почвы;

— повышение плодородности почвы путем увеличения органических веществ;

— сокращение эрозии вследствие улучшения структуры почвы;

— улучшение качества воды из-за снижения эрозии.

7. Что такое почвенные органические вещества, откуда они берутся и куда уходят?

Почвенные органические вещества состоят из перегнивших растений и животных отходов. Они позволяют соединять почвенные минеральные частицы в комочки, которые называются почвенными агрегатами. Повышение уровней почвенных органических веществ ведет к установлению более стабильных почвенных агрегатов, более устойчивых к ветровой эрозии, лучшей инфильтрации и аэрации, снижению вероятности уплотнений, а также повышению плодородности. Органические вещества помогают содержать почвенные питательные вещества вместе, таким образом, они не вымываются и не выщелачиваются. Если их не трогать, почвенные органические вещества могут перерасти в гумус — очень стабильную форму органического вещества. Тем не менее, если почва обрабатывается, почвенные органические вещества будут окисляться, и углерод растворится в атмосфере как СО2. Если почва эродируется, почвенные органические вещества будут вымываться водой.

8. Что влияет на уровень почвенных органических веществ?

Природные уровни почвенных органических веществ для любого определенного места в большинстве случаев определяются географической широтой, а также ежегодным уровнем выпадения осадков. Природные уровни почвенных органических веществ будут повышаться при передвижении с севера на юг от экватора. На Великих Равнинах уровень органических веществ растет от запада к востоку с учетом количества выпавших осадков. Управление может изменить уровень почвенных органических веществ. В общем, с повышением интенсивности возделывания культур повышается уровень почвенных органических веществ. С увеличением частоты использования механической обработки почвы уровень почвенных органических веществ снижается. Для производителей из Канзаса использование технологии no-till и отказ от пара предоставили самый большой потенциал в достижении этой цели.

9. Что делает штат Канзас, чтобы увеличить секвестрацию углерода?

Ученые из штата Канзас работают над созданием лучших управленческих методов, которые будут способствовать повышению секвестрации углерода. Чтобы проверить результаты механической обработки почвы, различных севооборотов, методов сбережения почвы и методов управления почвенным углеродом, проводятся исследования.

Вашему вниманию предлагаются две статьи, посвященные анализу вод с использованием двух аналитических методов:

Элементный анализ (определение общего органического углерода)

Анализ воды методом ионной хроматографии. Возможности метода и технические решения компании корпорации Dionex, США.

Ионная хроматография - позволяет определять неорганические и органические анионы, катионы щелочных и щелочноземельных металлов, катионы переходных металлов, амины и другие органические соединения в ионной форме. Хотя для анализа воды используется множество различных методов - ионная хроматография (ИХ) во всем мире является приоритетным методом и обеспечивает многокомпонентное определение в любых водах. Воды каждого типа имеют свои особенности и компоненты могут существенно различаться по уровню концентраций - от долей мкг/л до единиц г/л. Особенно важным является определение загрязняющих воду компонентов, присутствие которых в воде нежелательно или недопустимо. До появления ИХ не было эффективного метода определения ионов с такой чувствительностью, селективностью, воспроизводимостью и скоростью анализа. При этом анализ методом ИХ в большинстве случаев не требует пробоподготовки: при необходимости проба фильтруется и разбавляется. Анализ таких неорганических анионов, как фторид, хлорид, нитрит, нитрат, сульфат и фосфат методом ИХ многие годы является самым распространенным и рутинным анализом во всем мире. Разработаны и успешно применяются высокоэффективные колонки для определения хлорита, хлората, прехлората и др. Высокоэффективные колонки Dionex позволяют проводить одновременное определение катионов щелочных и щелочноземельных металлов и алифатических и ароматических аминов на одной колонке ИХ - прекрасно разработанный, высокоэффективный и быстрый метод анализа для очень широкого ряда наиболее часто определяемых аналитов в водах любого типа. Отсутствие сложной пробоподготовки, высокая чувствительность определения, быстрота анализа и большое разнообразие определяемых компонентов в воде делают эту метод идеальным для аналитических лабораторий, проводящих рутинный анализ воды любого состава - от высокочистой и питьевой до стоков и выбросов предприятий и коммунальных хозяйств.

Неорганические анионы

Анализ таких неорганических анионов, как фторид, хлорид, нитрит, нитрат, сульфат и фосфат методом ионной хроматографии многие годы является самым распространенным и рутинным анализом во всем мире.

Кроме ионохроматографических колонок для определения основных неорганических анионов разработаны и успешно применяются высокоэффективные колонки для определения наряду со стандартными анионами и оксианионов таких, как оксихалиды: хлорит, хлорат, прехлорат и др.

Органические кислоты

Наряду с неорганическими анионами в водах различного типа могут присутствовать и анионы органических кислот, например: ацетат, формиат, пропионат, оксалат, цитрат и др. Для таких задач используются высокоэффективные аналитические колонки большой емкости.

Неорганические катионы

Высокочувствительное и высокоэффективное ионохроматографическое определение катионов щелочных и щелочноземельных металлов также является рутинным методом анализа в мировой аналитической практике. На рисунке приведена хроматограмма быстрого изократического разделения катионов I и II групп.

Рис. Быстрое изократическое разделение катионов I и II групп на колонке IonPac СS12А 3х150 мм, Dionex, США.

Амины

Создание высокоэффективных сорбентов для катионного анализа позволяет проводить одновременное определение катионов щелочных и щелочноземельных металлов и алифатических и ароматических аминов на одной колонке.

Переходные металлы

Если перед аналитиком стоит задача определение только подвижной формы переходных металлов или металлов в определенной степени окисления - только ионная хроматография способна решить эту задачу. Компания Dionex поставляет колонки для одноколоночной катионной хроматографии для одновременного определения щелочных, щелочноземельных металлов, а также ряда переходных металлов. Альтернативный вариант определения переходных металлов - в виде окрашенных комплексов с ПАР. В отличие от предыдущих примеров, где детектирование аналитов происходит на кондуктометрическом детекторе, высокочувствительное детектирование определяемых компонентов происходит после пост-колоночной дериватизации на адсорбционном детекторе.

Заключение

Ионная хроматография - прекрасно разработанный, высокоэффективный и быстрый метод анализа для очень широкого ряда наиболее часто определяемых аналитов в водах любого типа. Отсутствие сложной пробоподготовки, высокая чувствительность определения, быстрота анализа и большое разнообразие определяемых компонентов в воде делают эту метод идеальным для аналитических лабораторий, проводящих рутинный анализ воды любого состава -от высокочистой до стоков и выбросов предприятий и коммунальных хозяйств.

Общий органический углерод - показатель содержания органических веществ в воде.

По мнению зарубежных специалистов, органический углерод является наиболее надежным показателем суммарного содержания органических веществ в воде. Этот показатель входит в группу интегральных показателей качества воды, таких как перманганатная и бихроматная окисляемость и БПК. При этом часто содержание органического углерода составляет примерно 1/3 величины ХПК, хотя это справедливо в основном для бытовых сточных вод и аналогичных им производственных стоков. Для природной воды поверхностных водоисточников Московского региона содержание органического углерода примерно равно значению перманганатной окисляемости (100-120%), а величина БПК 5 в 4-6 раз меньше содержания органического углерода.

По литературным данным в незагрязненных природных водах наименьшая концентрация растворенного органического углерода составляет примерно 1 мг/л, наибольшая - порядка 20 мг/л. В воде, богатой гумусовыми веществами, в частности, в болотной воде, содержание органического углерода достигает сотен мг/л.

Особенно важно контролировать содержание органического углерода в дистиллированной воде, используемой в электронике или в фармацевтическом производстве.

До настоящего времени содержание органического углерода нормируется только в воде, расфасованной в емкости СанПиН 2.1.4.1116-02. Для бутилированной воды 1 категории - 10 мг/л, для воды высшей категории - 5 мг/л. В процессе водоподготовки для дезинфекции питьевой воды обычно используют хлор или другие хлорирующие агенты (дезинфектанты), которые взаимодействуют с природными органическими веществами, присутствующими в воде, с образованием токсичных продуктов реакции. Количество побочных продуктов зависит в первую очередь от содержания в воде органических веществ. Вероятно, по этой причине в один из вариантов Проекта «Технического регламента о питьевой воде и питьевом водоснабжении» включен показатель «Общий органический углерод», норматив для которого составляет 5 мг/л.

Различают:

Общий органический углерод (ТОС) - массовая концентрация углерода, присутствующего в воде в виде органических соединений в растворенном и нерастворенном состоянии.
Растворенный органический углерод (DOC) - массовая концентрация углерода, присутствующего в воде в виде органических соединений, проходящих при фильтрации через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм, включая цианаты и тиоцианаты.

Помимо простого измерения значения абсорбции при 254 нм, которое является показателем содержания органических веществ в воде, методы определения органического углерода предполагают предварительную деструкцию органических веществ, присутствующих в воде.

Процедура определения общего органического углерода обычно разделяется на три стадии:

Подкисление пробы и продувка для удаления неорганического углерода
Окисление оставшегося органического углерода до СО 2 . При этом окисление может проводиться двумя основными способами:
- термическое окисление - сжигание в токе кислородсодержащего газа;
- УФ окисление или каталитическое химическое окисление персульфатом калия.
Детектирование образующегося СО 2 .

Следует обратить внимание, что на практике приведенные производителями ТОС анализаторов пределы определения получить весьма сложно. Реально при использовании дополнительно очищенного воздуха в качестве газа-окислителя предел определения составляет примерно 0,5 мг/л. При работе с кислородом пределы определения ниже.

В связи с этим особое внимание при определении органического углерода рекомендуется обращать на процедуры предупредительного контроля.

контроль чистоты посуды: посуду высушивают при 120 °С. Допускается мытье кислотой и высушивание при более низкой температуре;
подготовка фильтров при определении растворенного органического углерода: мембранные фильтры предварительно промывают 0,1 м соляной кислотой;
качество дистиллированной воды: дистиллированную воду готовят без использования резиновых пробок, шлангов, используют УФ-облучение, двойную дистилляцию со смесью перманганата и бихромата калия;
чистота газа-окислителя

При отборе проб следует руководствоваться следующими правилами:

Объем пробы - 50-100 мл. Пробы наливают доверху, используют стеклянную посуду.
Анализ выполняют в течение суток или консервируют пробы о-фосфорной кислотой (0,1 мл на 100 мл пробы), соляной или серной кислотой до рН<2;
Пробы хранят в холодильнике не более месяца.

Известно большое число международных стандартов по определению органического углерода в воде (ASTM D 4839, 4779, 2579,4129; ISO 8245; EPA 415.1, 415.2, 415.3; Standard Method 5310A, 5310B, 5310C, 5310D). В настоящее время подготовлен проект ГОСТа на метод определения общего и растворенного органического углерода, в котором достаточно подробно описаны все необходимые процедуры и который в ближайшее время будет утвержден ТК 343 «Качество воды».

Справочник химика 21

Общий органический углерод

Сосу Общий органический углерод (800° С) 200 35

Фирмой Дюпон (Канада) для производства полупродуктов получения найлона - адипиновой кислоты и гексаметилен-диамина - разработан новый процесс очистки концентрированных сточных вод, богатых азотсодержащими соединениями. путем биологической нитрификации - деиитрификациц. В разработанном процессе предусматривается сочетание аэробного и анаэробного окисления. Нитрификация протекает в аэробных условиях в присутствии диоксида углерода. причем аминный и аммиачный азот биоокисляется до нитритов и нитратов. Денитрификация протекает в анаэробных условиях в среде биораз-лагаемого продукта (обычно метанола). При этом нитраты восстанавливаются до нитритов и в конечном счете до газообразного азота. Поступающие на очистку стоки имеют следующую характеристику содержание общего органического углерода - 3000 мг/л NO2. N0 3, NH4+ в пересчете на азот соответственно 800, 90 и 230 мг/л органического азота в пересчете на азот -240 мг/л, БПК -6000 мг/л. Процесс позволяет удалять 98% органических веществ и 80-90% общего азота сточных вод.

Обратим внимание на значения символов в уравнении (4.2) С - это концентрация (в единицах ХПК, БПК, азота, общего органического углерода и т. д.), Гу,з или Гх,з - скорость реакции. единицы измерения этой величины определяются единицами концентрации и объема Уа. Если мы пользуемся параметром Гх,я, то Х2-это концентрация активного ила.

В разработанном процессе предусматривается сочетание аэробного и анаэробного окисления. Нитрификация протекает в аэробных условиях в присутствии двуокиси углерода, причём амин-ный и аммиачный азот биоокисляется до нитритов и нитратов. Денитрификация протекает в анаэробных условиях в среде био-разлагаемого продукта (обычно метанола). При этом происходит восстановление нитратов до нитритов и, в конечном счёте, до газообразного азота. Поступающие на очистку стоки имеют следующую характеристику общий органический углерод - 3000 мг/л БПК - 6000 мг/л N0. N03, NH в пересчёте на азот соответственно 800, 90 и 230 мг/л органический азот в пересчёте на азот - 240 мг/л. Процесс позволяет удалять 98% БПК и 80-90% общего азота сточных вод.

Поэтому необходимыми величинами при определении общесанитарного показателя вредности. по которым нормируется примерно 15 % от общего количества нормируемых веществ , являют р такие общие показатели качества вод, как биохимическое и химическое потребление кислорода и содержание общего органического углерода.

Общий органический углерод (ООУ)

Летучие органические вещества. такие как бензол, толуол, циклогексан и хлороформ могут испаряться при десорбции диоксида углерода. Общий органический углерод в этом случае должен определяться отдельно, если это невозможно, следует применять другой метод.

Общий органический углерод, мг/л 1ЛЗ 2,5

Общий органический углерод в мг/я

ИСЭ - пон-селективные электроды ААС - атомно-адсорбцпонная спектрометрия ООУ -общий органический углерод ИХ - ионная хроматография.

Общий органический углерод, г С/м Сооу 250 180 110 70

Например, очистные сооружения на озере Тахо состоят нз химического смесителя, флокулятора и отстойника, башни от-дувки аммиака, бассейна рекарбонизатора и отстойника, фильтров со смешанной загрузкой. адсорбционной установки. заполненной углем, и установки для хлорирования. Данные о качестве воды. исследованной в течение 18 месяцев, представлены ь табл. 8.4 . Соотношение содержаний органического азота и общего органического углерода составляет 0,22-0,25 при pH = 8 и равновесной концентрации от 1 до 6 мг/л. При сопоставлении этих данных с графиками зависимости величины адсорбции от отношения органического азота к ООУ (см. рис. 8.4), становится очевидным, что адсорбция активным углем достаточно эффективна для очистки вод от органических веществ. Для сравнения в табл. 8.4 представлены аналитические параметры вод, обеспечиваемые очисткой станцией Виндхук в юго-западной Африке. которая предназначена для повторного использования промышленных сточных вод с последующей их физикохимической очисткой. Сточные воды. поступающие на адсорбционную установку. были качественно такими же, как и на станции Южное Тахо в обоих случаях активным углем из сточных вод практически полностью удалялся органический азот. Другие данные, приведенные в табл. 8.4, могут быть скоррелированы с результатами по очистке от органических веществ из-за отсутствия необходимых сведений о ХПК и ООУ. Поэтому

Готовые химические реактивы высокого класса чистоты получали от снабжающих торговых фирм и использовали без дальнейшей очистки. Исходные растворы адсорбатов готовили с дистиллированной водой, которую предварительно пропустили через деионизатор и фильтр с активным углем. Исходные растворы периодически анализировали с помощью анализатора общего органического углерода Бекман-915. Адсорбционные эксперименты начинали через 4 ч после приготовлеиия исходных растворов. В большинстве экспериментов в исходные растворы был введен 0,05 М раствор фосфатного буфера для уменьшения колебаний pH.

В неочищенной сточной воде (органических веществ 300- 400 мг/л Б пересчете на общии органическии углерод) испытания проводили при pH - 4-6 и температуре 70-90°С. Испытания показали, что углеродистая сталь Ст-З не стойка, она подвергается язвенной коррозии со скоростью 1,95 г/м час.

Установлено, что содержащийся в сточных водах производств СК дилим (диэтиловый э р диэтилевгликоля) мохет быть обезврежен озоном до нору ЦДК . Несмотря на то, что после озонирования ХПК вода снижается незначительно, вода легко подвергается биологической очистке (табл. 10). Исходная вода имеет следующие показатели ХПК - 225 мг/л БИКц дц ХПК - 26 рН - 5 общий органический углерод (ООУ) - 67 мг/л.

Общий органический углерод (ТОС) - количество углерода. црисзпг-ствующее в воде в той части органического вещества, которая растворена или взвешена в воде.

Влияние повышенных температур на переход органических веществ из горных пород в водные растворы было изучено также И. Г. Киссиным. Е. А. Барс и др. . Эксперименты выполнялись в течение 7 часов при температурах 20, 100, 150, 200 и 250° С с глиной и аргиллитом из глубоких скважин Центрального Предкавказья. Породы обрабатывали дистиллированной водой и хлоридно-натриевым раствором с концентрацией соли 97 г/л. Опыты показали, что при температуре 20° С в воду из глины переходит 11 мг Сорг. на 100 г породы, а в соленый раствор 24 мг Сорг. на 100 г породы. В то же время углерода битумной фракции и в бидистиллят, и в раствор перешло очень мало (менее 1 мг на 100 г породы). При повышении температуры от 20 до 150° С содержание органического углерода на 100 г породы изменялось в небольшой степени и существенно увеличивалось лишь при температуре 200° С - в воде до 20,8 мг и в растворе до 33,8 мг. Содержание углерода битумной фракции последовательно росло для дистиллированной воды до 7 мг на 100 г породы (при 250°С), а для раствора до 4 мг на 100 г породы (при 150° С). Опыты с аргиллитом показали, что повышение температуры не влияет на выход общего органического углерода, а увеличение количества углерода битумной фракции наблюдается лишь после 150° С.

Одним из самых удивительных элементов, который способен формировать огромное количество разнообразных соединений органической и неорганической природы, является углерод. Это настолько необычный по свойствам элемент, что еще Менделеев предрекал ему большое будущее, говоря о не раскрытых пока особенностях.

Позже это подтвердилось практически. Стало известно, что он - главный биогенный элемент нашей планеты, входящий в состав абсолютно всех живых существ. Помимо этого, способный существовать в таких формах, которые кардинально различаются по всем параметрам, но при этом состоят только лишь из атомов углерода.

В общем, особенностей у этой структуры много, именно с ними и постараемся разобраться в ходе статьи.

Углерод: формула и положение в системе элементов

В периодической системе элемент углерод располагается в IV (по новому образцу в 14) группе, главной подгруппе. Его порядковый номер 6, а атомный вес 12,011. Обозначение элемента знаком С говорит о его названии на латыни - carboneum. Есть несколько различных форм, в которых существует углерод. Формула его поэтому бывает различна и зависит от конкретной модификации.

Однако для написания уравнений реакций обозначение конкретное, конечно, есть. В целом, когда говорится о веществе в чистом виде, принята молекулярная формула углерода С, без индексации.

История открытия элемента

Сам по себе этот элемент известен с самой древности. Ведь один из главнейших минералов в природе - это каменный уголь. Поэтому для древних греков, римлян и других народностей секретом он не был.

Помимо этой разновидности, также использовали алмазы и графит. С последним долгое время было много запутанных ситуаций, так как часто без анализа состава за графит принимали такие соединения, как:

серебристый свинец;
карбид железа;
сульфид молибдена.

Все они были окрашены в черный цвет и поэтому считались графитом. Позже это недоразумение было разъяснено, и данная форма углерода стала сама собой.

С 1725 года большое коммерческое значение приобретают алмазы, а в 1970 освоена технология получения их искусственным путем. С 1779 года, благодаря работам Карла Шееле, изучаются химические свойства, которые проявляет углерод. Это послужило началом ряда важнейших открытий в области данного элемента и стало основой для выяснения всех его уникальнейших особенностей.

Изотопы углерода и распространение в природе

Несмотря на то что рассматриваемый элемент - один из важнейших биогенных, его общее содержание в массе земной коры составляет 0,15 %. Так происходит от того, что он подвергается постоянной циркуляции, естественному круговороту в природе.

В целом можно назвать несколько соединений минерального характера, в состав которых входит углерод. Это такие природные породы, как:

доломиты и известняки;
антрацит;
горючие сланцы;
природный газ;
каменный уголь;
нефть;
бурый уголь;
торф;
битумы.

Помимо этого, не следует забывать и о живых существах, которые являются просто хранилищем углеродных соединений. Ведь им образованы белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, а значит самые жизненно важные структурные молекулы. В целом на пересчет сухой массы тела из 70 кг 15 приходится на чистый элемент. И так у каждого человека, не говоря уже о животных, растениях и прочих существах.

Если же рассмотреть и воды, то есть гидросферу в целом и атмосферу, то здесь присутствует смесь углерод-кислород, выражаемая формулой СО 2 . Диоксид или углекислый газ - один из основных газов, составляющих воздух. Именно в таком виде массовая доля углерода составляет 0,046%. Еще больше растворено углекислого газа в водах Мирового океана.

Атомная масса углерода как элемента составляет 12,011. Известно, что данная величина рассчитывается как среднее арифметическое между атомными весами всех существующих в природе изотопных разновидностей, с учетом их распространенности (в процентном соотношении). Так происходит и у рассматриваемого вещества. Есть три главных изотопа, в виде которых находится углерод. Это:

12 С - его массовая доля в подавляющем большинстве составляет 98,93 %;
13 С - 1,07 %;
14 С - радиоактивный, период полураспада 5700 лет, устойчивый бетта-излучатель.

В практике определения геохронологического возраста образцов широко применяется радиоактивный изотоп 14 С, который является индикатором, благодаря своему длительному периоду распада.

Аллотропные модификации элемента

Углерод - это такой элемент, который в виде простого вещества существует в нескольких формах. То есть он способен формировать самое большое из известных на сегодня число аллотропных модификаций.

1. Кристаллические вариации - существуют в виде прочных структур с правильными решетками атомного типа. К данной группе относятся такие разновидности, как:

алмазы;
фуллерены;
графиты;
карбины;
лонсдейлиты;
и трубки.

Все они различаются решетки, в узлах которых - атом углерода. Отсюда и совершенно уникальные, не схожие свойства, как физические, так и химические.

2. Аморфные формы - их образует атом углерода, входящий в состав некоторых природных соединений. То есть это не чистые разновидности, а с примесями других элементов в незначительном количестве. В данную группу входят:

активированный уголь;
каменный и древесный;
сажа;
углеродная нанопена;
антрацит;
стеклоуглерод;
техническая разновидность вещества.

Их также объединяют особенности строения кристаллической решетки, объясняющие и проявляемые свойства.

3. Соединения углерода в виде кластеров. Такая структура, при которой атомы замыкаются в особую полую изнутри конформацию, заполняемую водой или ядрами других элементов. Примеры:

углеродные наноконусы;
астралены;
диуглерод.

Физические свойства аморфного углерода

Из-за большого разнообразия аллотропных модификаций, выделить какие-то общие физические свойства для углерода сложно. Проще говорить о конкретной форме. Так, например, аморфный углерод обладает следующими характеристиками.

В основе всех форм - мелкокристаллические разновидности графита.
Высокая теплоемкость.
Хорошие проводниковые свойства.
Плотность углерода около 2 г/см 3 .
При нагревании свыше 1600 0 С происходит переход в графитовые формы.

Сажа, и каменные разновидности находят широкое применение в технических целях. Они не являются проявлением модификации углерода в чистом виде, однако содержат его в очень большом количестве.

Кристаллический углерод

Существует несколько вариантов, в которых углерод - вещество, формирующее правильные кристаллы различного вида, где атомы соединяются последовательно. В результате происходит образование следующих модификаций.

- кубическая, в которой соединяются четыре тетраэдра. В результате все ковалентные химические связи каждого атома максимально насыщенны и прочны. Это объясняет физические свойства: плотность углерода 3300 кг/м 3 . Высокая твердость, низкая теплоемкость, отсутствие электрической проводимости - все это является результатом строения кристаллической решетки. Существуют технически полученные алмазы. Образуются при переходе графита в следующую модификацию под влиянием высокой температуры и определенного давления. В целом так же высока, как и прочность - около 3500 0 С.
Графит. Атомы расположены подобно структуре предыдущего вещества, однако происходит насыщение только трех связей, а четвертая становится более длинной и менее прочной, она соединяет между собой "слои" гексагональных колец решетки. В результате получается, что графит - мягкое, жирное на ощупь вещество черного цвета. Обладает хорошей электрической проводимостью и имеет высокую температуру плавления - 3525 0 С. Способно к сублимации - возгонке из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое (при температуре 3700 0 С). Плотность углерода - 2,26 г/см 3, что гораздо ниже таковой у алмаза. Это объясняет их различные свойства. Из-за слоистой структуры кристаллической решетки, возможно использование графита для изготовления грифелей простых карандашей. При проведении по бумаге чешуйки отслаиваются и оставляют на бумаге след черного цвета.
Фуллерены. Открыты были лишь в 80-х годах прошлого столетия. Представляют собой модификации, в которых углероды соединяются между собой в особую выпуклую замкнутую структуру, имеющую в центре пустоту. Причем форма кристалла - многогранник, правильной организации. Количество атомов четное. Самая известная форма фуллерен С 60 . Образцы подобного вещества были найдены при исследованиях:

метеоритов;
донных отложений;
фольгуритов;
шунгитов;
космического пространства, где содержались в виде газов.

Все разновидности кристаллического углерода имеют важное практическое значение, поскольку обладают рядом полезных в технике свойств.

Химическая активность

Молекулярный углерод проявляет низкую химическую активность вследствие своей устойчивой конфигурации. Заставить его вступать в реакции можно лишь сообщив атому дополнительную энергию и заставив электроны внешнего уровня распариться. В этот момент валентность становится равна 4. Поэтому в соединениях он имеет степень окисления + 2, + 4, - 4.

Практически все реакции с простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, протекают под влиянием высоких температур. Рассматриваемый элемент может быть как окислителем, так и восстановителем. Однако последние свойства выражены у него особенно сильно, именно на этом основано применение его в металлургической и других отраслях промышленности.

В целом способность вступать в химическое взаимодействие зависит от трех факторов:

дисперсности углерода;
аллотропной модификации;
температуры реакции.

Таким образом, в ряде случаев происходит взаимодействие со следующими веществами:

неметаллами (водородом, кислородом);
металлами (алюминием, железом, кальцием и прочими);
оксидами металлов и их солями.

С кислотами и щелочами не реагирует, с галогенами очень редко. Важнейшее из свойств углерода - способность образовывать длинные цепи между собой. Они могут замыкаться в цикл, формировать разветвления. Так происходит образование органических соединений, которые на сегодняшний день исчисляются миллионами. Основа этих соединений два элемента - углерод, водород. Также в состав могут входить и другие атомы: кислород, азот, сера, галогены, фосфор, металлы и прочие.

Основные соединения и их характеристика

Существует множество различных соединений, в состав которых входит углерод. Формула самого известного из них - СО 2 - углекислый газ. Однако помимо этого оксида, существует еще СО - монооксид или угарный газ, а также недооксид С 3 О 2 .

Среди солей, в состав которых входит данный элемент, самыми распространенными являются карбонаты кальция и магния. Так, карбонат кальция имеет несколько синонимов в названии, так как в природе встречается в виде:

мела;
мрамора;
известняка;
доломита.

Важное значение карбонатов щелочноземельных металлов проявляется в том, что они активные участники процессов образования сталактитов и сталагмитов, а также подземных вод.

Угольная кислота - еще одно соединение, которое образует углерод. Формула ее - Н 2 СО 3 . Однако в обычном виде она крайне неустойчива и сразу же в растворе распадается на углекислый газ и воду. Поэтому известны лишь ее соли, а не она сама, как раствор.

Галогениды углерода - получаются в основном косвенным путем, так как прямые синтезы идут лишь при очень высоких температурах и с низким выходом продукта. Одно из самых распространенных - CCL 4 - тетрахлорметан. Ядовитое соединение, способное при вдыхании вызвать отравление. Получают при реакциях радикального фотохимического замещения в метане.

Карбиды металлов - соединения углерода, в которых он проявляет степень окисления 4. Также возможно существование объединений с бором и кремнием. Главное свойство карбидов некоторых металлов (алюминия, вольфрама, титана, ниобия, тантала, гафния) - это высокая прочность и отличная электропроводность. Карбид бора В 4 С - одно из самых твердых веществ после алмаза (9,5 по Моосу). Данные соединения используются в технике, а также химической промышленности, как источники получения углеводородов (карбид кальция с водой приводит к образованию ацетилена и гидроксида кальция).

Многие сплавы металлов изготавливают с использованием углерода, значительно повышая тем самым их качественные и технические характеристики (сталь - сплав железа с углеродом).

Отдельного внимания заслуживают многочисленные органические соединения углерода, в которых он - основополагающий элемент, способный соединяться с такими же атомами в длинные цепи различного строения. К ним можно отнести:

алканы;
алкены;
арены;
белки;
углеводы;
нуклеиновые кислоты;
спирты;
карбоновые кислоты и многие другие классы веществ.

Применение углерода

Значение соединений углерода и его аллотропных модификаций в жизни человека очень велико. Можно назвать несколько самых глобальных отраслей, чтобы стало понятно, что это действительно так.

Данный элемент образует все виды органического топлива, из которого человек получает энергию.
Металлургическая промышленность использует углерод как сильнейший восстановитель для получения металлов из их соединений. Здесь же находят широкое применение карбонаты.
Строительство и химическая промышленность потребляют огромное количество соединений углерода для синтеза новых веществ и получения необходимых продуктов.

Также можно назвать такие отрасли хозяйства, как:

ядерная промышленность;
ювелирное дело;
техническое оборудование (смазки, жаропрочные тигли, карандаши и прочее);
определение геологического возраста пород - радиоактивный индикатор 14 С;
углерод - прекрасный адсорбент, что позволяет использовать его для изготовления фильтров.

Круговорот в природе

Масса углерода, находящегося в природе, включена в постоянный круговорот, который циклически совершается ежесекундно по всему земному шару. Так, атмосферный источник углерода - СО 2 , поглощается растениями и выделяется всеми живыми существами в процессе дыхания. Попадая в атмосферу, он снова поглощается, и так цикл не прекращается. При этом отмирание органических остатков приводит к высвобождению углерода и накоплению его в земле, откуда затем он снова поглощается живыми организмами и выводится в атмосферу в виде газа.