Вуглець (латинське Carboneum), З, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 6, атомна маса 12,011. Відомо два стабільні ізотопи: 12 C (98,892%) і 13 C (1,108%). З радіоактивних ізотопів найбільш важливий 14 C з періодом напіврозпаду (Т = 5,6×10 3 років). Невеликі кількості 14 C (біля 2×10 -10 % по масі) постійно утворюються у верхніх шарах атмосфери при дії нейтронів космічного випромінювання на ізотоп азоту 14 N. По питомій активності ізотопу 14 C в залишках біогенного походження визначають їх вік. 14 C широко використовується як ізотопного індикатора .
Історична довідка. В. відомий з глибокої старовини. Деревинний вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз — як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт для виготовлення тиглів і олівців.
В 1778 До. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ.(газета) Хімічний склад алмазу був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазье (1772) по вивченню горіння алмазу на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), що довів, що однакові кількості алмазу і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. В. був визнаний хімічним елементом в 1789 Лавуазье. Латинська назва carboneum В. отримав від carbo — вугілля.
Поширення в природі. Середній вміст В. у земній корі 2,3×10 -2 % по масі (1×10 -2 в ультраосновних, 1×10 -2 — в основних, 2×10 -2 — в середніх, 3×10 -2 — в кислих гірських породах). В. накопичується у верхній частині земної кори (біосфері): у живій речовині 18% В., деревині 50%, кам'яному вугіллі 80%, нафти 85%, антрациті 96%. Значна частина В. літосфери зосереджена у вапняках і доломіті.
Число власних мінералів В. — 112; виключно велике число органічних сполук В. — вуглеводнів і їх похідних.
З накопиченням В. у земній корі зв'язано накопичення і багатьох ін. елементів, сорбіруємих органічною речовиною і що осідають у вигляді нерозчинних карбонатів, і так далі Велику геохімічну роль в земній корі грають Co 2 і вугільна кислота. Величезна кількість Co 2 виділяється при вулканізмі — в історії Землі це було основне джерело В. для біосфери.
В порівнянні з середнім вмістом в земній корі людство у виключно великих кількостях витягує В. з надр (вугілля, нафта, природний газ), оскільки ці копалини — основне джерело енергії.
Величезне геохімічне значення має круговорот В. (див. нижче розділ Вуглець в організмі і ст. Круговорот речовин ) .
В. широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце після водню, гелію і кисню.
Фізіко і хімічні властивості. Відомо чотири кристалічні модифікації У.: графить, алмаз, карбін і лонсдейліт. Графить — сіро-чорна, непрозора, жирна на дотик, луската, дуже м'яка маса з металевим блиском. Побудований з кристалів гексагональної структури: а=2,462å, c=6,701å. При кімнатній температурі і нормальному тиску (0,1 Мн/м 2 , або 1 кгс/см 2 ) графіт термодинамічно стабільний. Алмаз — дуже тверда, кристалічна речовина. Кристали мають кубічні гранецентровані грати: а = 3,560 Å. При кімнатній температурі і нормальному тиску алмаз метастабілен (детально про структуру і властивості алмазу і графіту див.(дивися) у відповідних статтях). Помітне перетворення алмазу на графіт спостерігається при температурах вище 1400 °С у вакуумі або в інертній атмосфері. При атмосферному тиску і температурі близько 3700 °С графіт переганяється. Рідкий В. може бути отриманий при тиску вище 10,5 Мн/м 2 (105 кгс/см 2 ) і температурах вище 3700 °С. Для твердого В. (кокс, сажа, деревне вугілля ) характерний також стан з невпорядкованою структура — так званий «аморфний» В., який не є самостійною модифікацією; у основі його будови лежить структура дрібнокристалічного графіту. Нагрівання деяких різновидів «аморфного» В. вище 1500—1600 °С без доступу повітря викликає їх перетворення на графіт. Фізичні властивості «аморфного» В. дуже сильно залежать від дисперсності часток і наявності домішок. Щільність, теплоємність, теплопровідність і електропровідність «аморфного» В. завжди вище, ніж графіту. Карбін отриманий штучно. Він є дрібнокристалічним порошком чорного кольору (щільність 1,9—2 г/см 3 ) . Побудований з довгих ланцюжків атомів З, укладених паралельно один одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий штучно; його структура і властивості остаточно не встановлені.
Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома В. 2s 2 2p 2 . Для В. характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, обумовлене збудженням зовнішньої електронної оболонки до стану 2 sp 3 . Тому В. здатний в рівній мірі як притягувати, так і віддавати електрони. Хімічний зв'язок може здійснюватися за рахунок sp 3 -, sp 2 - і sp -гибрідних орбіталей, яким відповідають координаційні числа 4, 3 і 2. Число валентних електронів В. і число валентних орбіталей однакове; це одна з причин стійкості зв'язку між атомами В.
Унікальна здатність атомів В. з'єднуватися між собою з утворенням міцних і довгих ланцюгів і циклів привела до виникнення величезного числа всіляких з'єднань В., що вивчаються органічною хімією .
В з'єднаннях В. проявляє міри окислення —4; +2; +4. Атомний радіус 0,77å, ковалентні радіуси 0,77å, 0,67å, 0,60å відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонний радіус C 4- 2,60å, C 4+ 0,20å. За звичайних умов В. хімічно інертний, при високих температурах він з'єднується з багатьма елементами, проявляючи сильні відновні властивості. Хімічна активність убуває в ряду: «аморфний» В., графить, алмаз; взаємодія з киснем повітря (горіння) відбувається відповідно при температурах вище 300—500 °С, 600—700 °С і 850—1000 °С з утворенням двоокису вуглецю Co 2 і окисли вуглецю CO.
Co 2 розчиняється у воді з утворенням вугільної кислоти . В 1906 О. Дільс отримав недоокись В. C 3 O 2 . Всі форми В. стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються лише дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш концентрованих Hno 3 і Kclo 3 і ін.). «Аморфний» В. реагує з фтором при кімнатній температурі, графить і алмаз — при нагріванні. Безпосереднє з'єднання В. з хлором відбувається в електричній дузі; з бромом і йодом В. не реагує, тому багаточисельні вуглецю галогеніди синтезують непрямим дорогою. З оксигалогенідов загальної формули Cox 2 (де Х — галоген) найбільш відомо хлороокис Cocl 2 (фосген ) . Водень з алмазом не взаємодіє; з графітом і «аморфним» В. реагує при високих температурах у присутності каталізаторів (Ni, Pt): при 600—1000 °С утворюється в основному метан Ch 4 , при 1500— 2000 °С — ацетилен C 2 H 2 , в продуктах можуть бути присутніми також ін. вуглеводні, наприклад етан C 2 H 6 , бензол C 6 H 6 . Взаємодія сірки з «аморфним» В. і графітом починається при 700—800 °С, з алмазом при 900—1000 °С; у всіх випадках утворюється сірковуглець Cs 2 . Ін.(Древн) з'єднання В., що містять сірку (тіоокись CS, тіонедоокись C 3 S 2 , оксисульфід COS і тіофосген Cscl 2 ), отримують непрямим дорогою. При взаємодії Cs 2 з сульфідами металів утворюються тіокарбонати — солі слабкої тіовугільної кислоти. Взаємодія В. з азотом із здобуттям ціану (CN) 2 відбувається при пропусканні електричного розряду між вугільними електродами в атмосфері азоту. Серед азотвмісних з'єднань В. важливе практичне значення мають ціаністий водень HCN (див. Синильна кислота ) і його багаточисельні похідні: ціаниди, гало-генциани, нітрил і ін. При температурах вище 1000 °С В. взаємодіє з багатьма металами, даючи карбіди . Всі форми В. при нагріванні відновлюють оксиди металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb і ін.) або карбідів (Cac 2 , Mo 2 C, WO, TAC і ін.). В. реагує при температурах вище 600— 800 °С з водяною парою і вуглекислим газом (див. Газифікація палив ) . Відмітною особливістю графіту є здатність при помірному нагріванні до 300—400 °С взаємодіяти з лужними металами і галогенідами з утворенням з'єднань включення типа C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (де Х — галоген, Me — метал). Відомі з'єднання включення графіту з Hno 3 , H 2 So 4 , Fecl 3 і ін. (наприклад, бісульфат графіту C 24 So 4 H 2 ). Всі форми В. нерастворіми в звичайних неорганічних і органічних розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад, Fe, Ni, Co).
Народногосподарське значення В. визначається тим, що понад 90% всіх первинних джерел споживаної в світі енергії доводиться на органічне паливо, очолююча роль якого збережеться і на найближчі десятиліття, не дивлячись на інтенсивне розвиток ядерної енергетики. Лише близько 10% палива, що добувається, використовується як сировина для основного органічного синтезу і нафтохімічного синтезу, для здобуття пластичних мас і ін.
В. у організмі. В. — найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя на Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть участь в побудові організмів і забезпеченні їх життєдіяльності (біополімери, а також багаточисельні низькомолекулярні біологічно активні речовини — вітаміни, гормони, медіатори і ін.). Значна частина необхідною організмам енергії утворюється в клітках за рахунок окислення У. Возникновеніє життю на Землі розглядається в сучасній науці як складний процес еволюції вуглецевих з'єднань (див. Походження життя ) .
Унікальна роль В. у живій природі обумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден ін. елемент періодичної системи. Між атомами В., а також між В. і ін. елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які, проте, можуть бути розірвані в порівняно м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними, подвійними і потрійними). Здатність В. утворювати 4 рівнозначні валентні зв'язки з ін. атомами В. створює можливість для побудови вуглецевих скелетів різних типів — лінійних, розгалужених, циклічних. Показово, що всього три елементи — З, Про і Н — складають 98% загальної маси живих організмів. Цим досягається певна економічність в живій природі: при практично безмежній структурній різноманітності вуглецевих з'єднань невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє набагато скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплювання і синтезу органічних речовин. Особливості будови атома В. лежать в основі різних видів ізомерії органічних сполук (здібність до оптичної ізомерії виявилася вирішальною в біохімічній еволюції амінокислот, вуглеводів і деяких алкалоїдів).
Згідно із загальноприйнятою гіпотезою А. І. Опаріна, перші органічні сполуки на Землі мали абіогенне походження. Джерелами В. служили метан (Ch 4 ) і ціаністий водень (HCN), Землі, що містилися в первинній атмосфері. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного В., за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є вуглецю двоокис (Co 2 ), що знаходиться в атмосфері, а також розчинена в природних водах у вигляді Hco - 3 . Найбільш потужний механізм засвоєння (асиміляція) В. (у формі Co 2 ) — фотосинтез — здійснюється повсюдно зеленими рослинами (щорік асимілюється близько 100 млрд. т Co 2 ). На Землі існує і еволюційно більш древній спосіб засвоєння Co 2 дорогою хемосинтезу ; в цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетіки використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окислення неорганічних з'єднань. Більшість тварин споживають В. з їжею у вигляді вже готових органічних сполук. Залежно від способу засвоєння органічних сполук прийнято розрізняти автотрофні організми і гетеротрофні організми . Вживання для біосинтезу білка і ін. живильних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело В. вуглеводні нафти, - одна з важливих сучасних науково-технічних проблем.
Вміст В. у живих організмах з розрахунку на суху речовину складає: 34,5—40% у водних рослин і тварин, 45,4—46,5% в наземних рослин і тварин і 54% у бактерій. У процесі життєдіяльності організмів, в основному за рахунок тканинного дихання, відбувається окислювальний розпад органічних сполук з виділенням в зовнішнє середовище Co 2 . В. виділяється також у складі складніших кінцевих продуктів обміну речовин. Після загибелі тварин і рослин частина В. знов перетворюється на Co 2 в результаті здійснюваних мікроорганізмами процесів гниття. Таким образом відбувається круговорот В. у природі (див. Круговорот речовин ) . Значна частина В. мінералізуєтся і утворює поклади копалини У.: кам'яне вугілля, нафта, вапняки і ін. Окрім основні функції — джерела У.— Co 2 , розчинена в природних водах і в біологічних рідинах, бере участь в підтримці оптимального для життєвих процесів кислотності середовища. У складі Caco 3 В. утворює зовнішній скелет багатьох безхребетних (наприклад, раковини молюсків), а також міститься в коралах, яєчній шкаралупі птиць і ін. Такі з'єднання В., як HCN, CO, Ccl 4 , Землі, що переважали в первинній атмосфері, в добіологичеський період, надалі, в процесі біологічної еволюції, перетворилися на сильних антіметаболіти обміну речовин.
Окрім стабільних ізотопів В., у природі поширений радіоактивний 14 C (у організмі людини його міститься близько 0,1 мккюрі ) . З використанням ізотопів В. у біологічних і медичних дослідженнях зв'язано багато крупних досягнень у вивченні обміну речовин і круговороту В. у природі (див. Ізотопні індикатори ) . Так, за допомогою радіовуглецевої мітки була доведена можливість фіксації H 14 Co - 3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакцій фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, прослідили дороги біосинтезу багатьох біологічно активних з'єднань і т.д. Вживання 14 C сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14 C в вуглецьвмісних органічних залишках дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.
Н. Н. Чернов.
Літ.: Шафрановський І. І., Алмази, М. — Л., 1964; Уббелоде А. Р., Люіс Ф. А., Графить і його кристалічні з'єднання, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Ремі Г., Курс неорганічної хімії, пер.(переведення) з йому.(німецький), т. 1, М., 1972; Перельман А. І., Геохімія елементів в зоні гіпергенезу, М., 1972; Некрасов Би. Ст, Основи загальної хімії, 3 видавництва, М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганічна хімія, 2 видавництва, М., 1975; Вернадський Ст І., Нариси геохімії, 6 видавництво, М., 1954; Рогинський С. З., Шноль С. Е., Ізотопи в біохімії, М., 1963; Горизонти біохімії, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Проблеми еволюційної і технічної біохімії, М., 1964; Кальвін М., Хімічна еволюція, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Льові А., Сикевіц Ф., Структура і функції клітки, пер.(переведення) з англ.(англійський), 1971, гл.(глав) 7; Біосфера, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972.
