Интересные факты про углерод: Информационный центр по атомной энергии

Вот несколько последних статей:

• Говорили о том какой бывает этиловый спирт из чего его делают, как фальсифицируют и проводят анализы, и чего стоит остерегаться.…

• Глицерин применение – пищевые продукты, косметика и взрывчатые вещества Читая этикетки косметических средств, мы зачастую замечаем в их составе глицерин.…

• Не так давно Пепси объявила, что они больше не будут использовать подсластитель аспартам, искусственный сахарозаменитель, в диетической Пепси (на территории…

• По доброй традиции встреча Нового года у большинства людей не обходится без открытой бутылки шампанского. Напиток в бокале с его…

• СОСТАВ КРАСКИ ДЛЯ ВОЛОС КРАСИТЕЛИ И ПИГМЕНТЫ Сегодня, стойкая краска для волос широко используются, либо чтобы прикрыть седые волосы, либо…

Поделиться

Подтверждено существование новой аллотропной формы углерода

Эксперименты показывают, что холодное (при комнатной температуре) сжатие графита под давлением свыше 100 тыс. атмосфер приводит к появлению нового состояния углерода, сопровождающегося перестройкой его внутренней структуры и изменением физических свойств. Группе китайских, американских и российских ученых удалось теоретически рассчитать кристаллическую структуру графита, находящегося в таких условиях, и установить, что это неопознанное состояние углерода следует идентифицировать как его новую аллотропную форму. Исследователи назвали это состояние M-углерод.

По многообразию полиморфных, или аллотропных (так как углерод — простое вещество), модификаций углерод уникален. В зависимости от кристаллической структуры разновидности этого химического элемента могут представлять собой большой набор совершенно разных веществ, от алмаза до графита, с разными электронными и механическими свойствами.

Одной из самых известных аллотропных форм углерода является алмаз — трехмерная структура, характеризующаяся тетраэдрическим расположением атомов углерода в кристаллической решетке (рис. 1a). Это самый твердый из природных минералов — 10 по шкале твердости Мооса. Так, для разрушения алмаза необходимо использовать давление около 100 ГПа, или 1 млн атмосфер. По своим электрическим свойствам чистый алмаз — диэлектрик.

Другая всем знакомая разновидность углерода — графит — представляет собой двумерную слоеную кристаллическую структуру. В этих слоях атомы углерода связаны ковалентными связями и располагаются в вершинах шестиугольника. Между слоями действуют силы Ван-дер-Ваальса, значительно более слабые по сравнению с ковалентной связью. Отсюда и сильная анизотропия в физических свойствах графита. По шкале твердости (шкале Мооса) графит имеет наименьшую величину – 1. Кроме этого, он хороший проводник тока. А монослой графита представляет собой уже отдельное вещество — графен, который, в принципе, также можно отнести к аллотропным формам углерода, поскольку он обладает уникальными физическими свойствами.

Менее известны другие полиморфные модификации углерода — например, гексагональный алмаз (или лонсдейлит), а также карбин, открытые в 60-е годы прошлого века.

Лонсдейлит по своему внутреннему строению напоминает алмаз, но с немного иным типом «упаковки» атомов — атомы углерода образуют в нём гексагональную кристаллическую решетку. Отсюда его второе название — гексагональный алмаз. Интересно, что впервые лонсдейлит был обнаружен в метеоритном кратере в Аризоне (США). А в феврале 2009 года в журнале Physical Review Letters была опубликована статья, согласно которой чистый, не имеющий примесей лонсдейлит теоретически должен оказаться на 58% прочнее алмаза: его твердость будет равна 152 ГПа против приблизительно 100 ГПа у алмаза. Таким образом, теоретически именно лонсдейлит, а не алмаз, следует считать самым твердым веществом на Земле.

Карбин — это одномерная, линейная цепочка атомов углерода (см. статью «Карбин — третья аллотропная модификация углерода: открытие и свойства» в газете «Химия»). Карбин имеет полупроводниковые свойства, при этом под действием света его проводимость резко возрастает. Вначале карбин синтезировали в лаборатории, а позже нашли в природе в виде минерала — прожилок и вкраплений в графите — тоже в метеоритном кратере, в Баварии (Германия). Природный минерал получил название чаоит.

К аллотропным модификациям углерода следует отнести также и семейство фуллеренов (низкие фуллерены — C₂₄, C₂₈, C₃₀, C₃₂, — средние фуллерены — C₅₀, C₆₀, C₇₀, — гиперфуллерены — C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₈₄, C₉₀, C₉₆, C₁₀₂, C₁₀₆, C₁₁₀ и фуллерены-гиганты — C₂₄₀, C₅₄₀, C₉₆₀), нанотрубки (одностенные и многостенные), а также аморфную форму углерода — стеклообразное, не имеющее упорядоченной кристаллической решетки вещество.

Но, похоже, полиморфизм углерода себя еще не исчерпал. Эксперименты, проведенные различными группами ученых, показали, что графит, находящийся при комнатной температуре, под давлением выше 14 ГПа — при так называемом холодном сжатии — испытывает необычный структурный переход, сопровождающийся изменением электрического сопротивления, оптических свойств и твердости. О том, что происходит внутренняя перестройка структуры графита, говорят также и данные рентгеноструктурного анализа. Высказывались предположения, что это может быть некая промежуточная фаза между алмазом и графитом (лонсдейлит) или даже аморфный углерод (рис. 2). Однако рамановская спектроскопия и дифракционное рассеяние рентгеновских лучей вскоре опровергли эти гипотезы. И лишь после этого ученые стали говорить о возможности существования новой разновидности углерода. Необходимо было только выяснить, устойчива ли данная аллотропная модификация, какова ее кристаллическая структура, механические свойства и т. п.

Американо-российско-китайская группа ученых (Россию представлял Артем Оганов с геологического факультета МГУ) опубликовала в журнале Physical Review Letters работу Superhard Monoclinic Polymorph of Carbon (полный текст — PDF), в которой теоретическим путем было подтверждено существование еще одной аллотропной модификации углерода. Ученые назвали ее M-углерод.

В ходе вычислений выяснилось, что M-углерод имеет моноклинную структуру кристаллической решетки (рис. 3) и обладает твердостью почти как у алмаза. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. На основании этого авторы работы смогли идентифицировать упомянутое выше неопознанное состояние углерода как его совершенно новую аллотропную форму.

Если сравнивать M-углерод с остальными сверхтвердыми материалами, то по твердости он находится между двумя самыми твердыми материалами (без учета лонсдейлита): кубическим нитридом бора (с-BN), успешно использующимся как аналог алмазного инструмента, и собственно алмазом. В числах это выглядит так: твердость c-BN составляет 47 ГПа, M-углерода — 83,1 ГПа и алмаза — около 100 ГПа.

Кроме этого, ученые рассчитали зонную структуру M-углерода и выяснили, что, во-первых, новая разновидность углерода — это устойчивое соединение, а никак не метастабильное, как изначально предполагали некоторые исследователи, а во-вторых, M-углерод является диэлектриком.

С практической точки зрения выгоды очевидны. С помощью холодного сжатия (не доводя температуру до тысяч градусов, как в случае с трансформацией графита в алмаз) можно получить вещество, практически не уступающее по твердости алмазу и превосходящее используемый в промышленных целях кубический нитрид бора.

Источник: Quan Li, Yanming Ma, Artem R. Oganov, Hongbo Wang, Hui Wang, Ying Xu, Tian Cui, Ho-Kwang Mao, Guangtian Zou. Superhard Monoclinic Polymorph of Carbon // Physical Review Letters 102, 175506 (2009).

Юрий Ерин

Красиво и полезно: отмечаем Международный день почв подборкой интересных фактов

5 декабря — Международный день почв. Он проводится, чтобы привлечь внимание к важности сохранения здоровых почв и устойчивого управления почвенными ресурсами. В этом году тема Всемирного дня почв — биоразнообразие почв. Здоровые почвы — это основа для здоровой еды, они помогают в борьбе с изменениями климата, а также хранят и фильтруют воду.

Как будет праздноваться День почв во время пандемии? Приводим несколько интересных вариантов.

Как насчёт посетить три музея почв в разных уголках мира за один час? Чтобы попасть на тур по музеям почв, нужно зарегистрироваться здесь. 

Написать статью. Elsevier решил тоже отпраздновать День почв. Редакторы Applied Soil Ecology запустили free access special issue, посвящённый важности защиты почвенного биоразнообразия. Кстати, журнал Agricultural and Forest Meteorology также запустил выпуск в честь Дня почв.

Послушать подкаст. Теперь в Apple Podcasts есть подкаст о почвах. Их создает Rillig Lab в Freie Universität Berlin при поддержке BiodivERsA. Обещают говорить о почвах с лучшими почвоведами мира, первый выпуск будет 5 декабря.

Посмотреть видео о почве. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) действительно очень старается для продвижения внимания к почвам и опубликовала замечательный ролик о важности биоразнообразия. Кстати, у Би-би-си вышел отличный анимационный фильм с замечательным названием: «Почему почвы — это одна из изумительных вещей на планете».

Несколько фактов о жизни в почве

 • Почва — это живой ресурс, на котором сосредоточено более 25% биоразнообразия нашей планеты.

 • До 90% живых организмов живут или проводят часть своего жизненного цикла в почве, но мы знаем только 1% этой скрытой вселенной.

 • Почвенные организмы работают 365/24/7 в скоординированных усилиях по поддержанию жизни на Земле.

 • Биоразнообразие почвы является важным компонентом здоровья почвы. 

 • В свою очередь здоровые почвы дают более питательную и безопасную пищу. 

 • 95% нашей пищи поступает из почвы.

 • Почвенные организмы помогают накапливать углерод и сокращать выбросы парниковых газов.

 • Биоразнообразие почвы способствует уменьшению загрязнения почвы за счёт разрушения загрязняющих веществ.

 • Почвы — огромная, жизненно важная аптека. Почти все антибиотики, которые мы принимаем для борьбы с инфекциями, были созданы с использованием почвенных микроорганизмов. 

Почему 5 декабря?

Международный день празднования почв был рекомендован Международным союзом почвоведов (IUSS) в 2002 году. Под руководством Королевства Таиланд и в рамках Глобального почвенного партнерства ФАО поддержала официальное учреждение WSD в качестве платформы для повышения осведомлённости. В декабре 2013 года Генеральная Ассамблея ООН провозгласила 5 декабря 2014 года первым официальным Всемирным днём почв.

Дата 5 декабря была выбрана потому, что она соответствует официальному дню рождения покойного Пхумипона Адульядета, короля Таиланда, который был одним из главных сторонников этой инициативы.

Забавные факты о почвах

• Дождевой червь может переваривать почву под собственным весом каждые 24 часа. 50% почвы планеты ежегодно проходит через кишечник дождевых червей.
   
• Почвенные организмы перерабатывают 25 000 кг органического вещества на площади, эквивалентной футбольному полю, что соответствует весу 25 автомобилей.
   
• Всего в 3 кубических дюймах почвы обитает 13 квадриллионов живых организмов.
   
• Один гектар почвы содержит вес бактерий, эквивалентный двум коровам.
   
• В одном грамме здоровой почвы организмов больше, чем людей на Земле.

Почему темой года выбрано именно почвенное биоразнообразие?

Вот, что об этом пишет ФАО: «Растения выращивают в почве целый мир существ, которые в свою очередь кормят и защищают растения. Это разнообразное сообщество живых организмов сохраняет почву здоровой и плодородной. Этот огромный мир составляет биоразнообразие почв и определяет основные биогеохимические процессы, делающие возможной жизнь на Земле. Если мы не будем действовать в ближайшее время, плодородие почвы будет по-прежнему подвергаться неблагоприятному воздействию тревожными темпами, угрожая глобальным запасам продовольствия и безопасности пищевых продуктов«.

В заключение хочется добавить, что почвы — это просто красиво. Во многих странах среди учёных есть свой форум под названием Soil Art, и Россия не исключение.  Soil Arctic Research Team — научно-исследовательская группа, основной целью которой является изучение экосистем и почв Арктики. Одной из важных задач группы является популяризация знаний о почвах Севера и раскрытие их как удивительного предмета природного искусства: арт-объекта, руководителями которых являются к.б.н. Матышак Г.В и к.б.н. Гончарова О. Ю.  В состав группы входят студенты, аспиранты и сотрудники факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Статья подготовлена Курбановой Фатимой, сотрудницей Московского городского отделения РГО и факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, автором телеграм-канала о почвах.

Углерод. Аллотропия углерода — урок. Химия, 8–9 класс.

Химический элемент

Углерод — химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

C6+6)2e)4e

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \( +2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ. В земной коре распространены карбонаты (например, CaCO3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений, главным элементом которых является углерод. 

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит.

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз — самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа, древесный уголь и кокс. Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс — переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией.

Химические свойства

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

• Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов:

4Al0+3C0=tAl+34C−43.

В этой реакции углерод выступает как окислитель.

• Взаимодействие с водородом.

Реакция происходит при сильном нагревании. Образуется метан. Углерод — окислитель.

C0+2H02=tC−4H+14.

• Взаимодействие с кислородом.

Углерод горит в кислороде с образованием углекислого газа и проявляет в этой реакции восстановительные свойства:

C0+O02=tC+4O−22.

• Взаимодействие с оксидами металлов.

Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов:

2Cu+2O+C0=t2Cu0+C+4O2. 

Применение простых веществ

 Алмаз применяется:

• для обработки твёрдых поверхностей;
• для резки стекла;
• для изготовления буров и свёрл;
• для изготовления ювелирных украшений.

Графит используется:

• при изготовлении карандашей;
• как твёрдая смазка в подшипниках;
• для изготовления электродов;
• в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах;
• для получения искусственных алмазов.

Сажа:

• входит в состав типографской краски, крема для обуви;
• используется как наполнитель для производства резины.

Уголь используется:

• в противогазах, промышленных и бытовых фильтрах;
• для очистки сахарного сиропа, спирта и т. д.;
• в медицине.

Кокс применяется в металлургической промышленности.

Интересные факты об отходах — Компания по перевозке производственных отходов ИП Шмельков А.В

• Самый распространенный мусор на планете — сигаретные окурки. Ежегодно их выбрасывается 4.500.000.000 штук.
• Впервые проблемой переработки мусора занялись в Англии 200 лет назад. В конце XIX века там появился первый завод по сжиганию мусора. Сегодня в Европе утилизация мусора подразумевает его сортировку и использование в качестве вторсырья.
• Лучше всего со своим мусором справляется Швеция, перерабатывая 52% от общего количества отходов. За ней следует Австрия (49,7%) и Германия (48%). Нам, с 25%, есть на кого равняться.
• Мусор всегда играл главенствующую роль в человеческой культуре. Удивительно, что он оставил свой след и в религии. Например, участок земли под Иерусалимом, куда сбрасывали и периодически сжигали отходы, в Библии назван Геенной Огненной. Для христиан Геенна стала одним из обозначений Ада. Не менее известен один из 12-ти подвигов, которые совершил герой древнегреческих мифов Геракл — он решил проблему отходов, накопившихся в конюшнях царя Авгия.
• Изучением способов утилизации мусора занимается наука гарбология. Гарбология (от англ. garbage «мусор») или мусороведение, или мусорология — отдельное направление экологии, занимается изучением мусорных отходов и методов их утилизации. Так же гарбология — вид археологии, иначе говоря «мусорная археология», которая изучает мусорные отходы с целью изучения бытовой жизни людей.
• Каждую секунду в мире появляется 3,8 кг «экологически безвредного мусора»: объедки, яичная скорлупа, кожура от картофеля и прочее. Он составляет 29 % от среднестатистической мусорной корзины современного человека. Что же касается других составляющих, то 25% — это картон и бумага, 13% — стекло, 11% — пластик, 4% — металл и 18% — другие материалы.
• Огромная проблема – утилизация старых компьютеров. В них содержатся опасные для окружающей среды соединения, поэтому в Европе для компьютерной техники существуют специальные, закрытые свалки. Они всегда находятся под наблюдением, чтобы предотвратить воровство ценных, но вредных деталей.
• За один год переработка вторичных металлов в мире позволяет сберечь ресурсы, достаточные для того, чтобы обогреть и осветить около 150 млн частных домов. Энергии, сохраненной при переработке одной стеклянной бутылки, достаточно, чтобы лампочка в 100 Ватт горела в течение 4 часов.
• Самый большой мусорный полигон в мире расположен в Америке. В местности Fresh Kills. Он занимает площадь в 1200 га, что равняется 1700 футбольным полям. Каждый день на него привозят 13 тыс. тонн отходов.
• В Нью-Джерси (США) открыт музей мусора. В Башкирии осенью этого года тоже может появиться музей нестандартного, интересного и опасного мусора. Музейные экспонаты будут собраны в рамках акции Всемирная уборка-2012, которая пройдет 15 сентября в России.
• Получение электричества за счет сжигания мусора в британском городе Эдмонтоне ежегодно экономит 100 тысяч тонн угля.
• Сброс отходов в море в контейнерах не гарантирует, что вода не будет загрязнена, так как материал контейнеров подвержен коррозии. Металлические контейнеры разрушаются в морской среде за десять лет, а бетонированные — в течение тридцати лет.
• Во всем мире ежегодно более 100000 млекопитающих, птиц и рыб погибают из-за выброшенных полиэтиленовых пакетов. Животные съедают их или задыхаются.
• Ежегодно в мире на свалку выбрасывается 7000000 тонн одежды, из которых только 12% перерабатывается и повторно используется.
• С середины 1990-х годов в Европе и Северной Америке зародилось движение фриганов — людей, которые отрицают современную экономическую систему и лежащую в её основе жажду потребления, а пищу находят на свалках и в мусорных контейнерах. На свалках фриганы находят одежду и домашнюю утварь, которую в случае ненужности могут обменивать на блошиных рынках на другие вещи без участия денег.
• После завершения строительства Зимнего дворца вся площадь была завалена строительным мусором. Император Пётр III решил избавиться от него оригинальным способом — приказал объявить народу, что каждый желающий может взять с площади всё, что угодно, и бесплатно. Через несколько часов весь мусор был расчищен.
• Если в море бросить бумажную салфетку, то она исчезнет через три месяца, спички растворятся через шесть месяцев. Брошенный окурок проплавает в море от одного года до пяти лет, а пакет из полиэтилена – от десяти до двадцати лет. Изделия из нейлона растворятся через тридцать-сорок лет, а консервная банка через пятьсот! Пройдет тысяча лет, и только после этого исчезнет стандартная стеклянная бутылка!

Единая справочная: 8 800 7000 88 9 (звонок по РФ бесплатный)

Углекислый газ. Самые интересные факты о углероде

Углерод-это невероятный элемент. Расположить атомы углерода в одну сторону, и они становятся мягкими, податливее графита.

Переустановите расположение, и — престо! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.

Углерод также является ключевым компонентом для большей части жизни на Земле; пигмент, который сделал первые рисунки; и основой для технологических чудес, таких как графен, который является материалом, более сильным, чем сталь, и более гибким, чем резина. [См. Периодическую таблицу элементов].

Углерод встречается в природе как углерод-12, что составляет почти 99% углерода во Вселенной; углерод-13, что составляет около 1%, а углерода-14, что составляет незначительную сумму от общего углерода, а это очень важно в знакомствах органических объектов.

Углерод является уникальным по своим свойствам, поскольку он образует ряд компонентов выше, чем общее добавление всех других элементов в сочетании друг с другом.

Физические и химические свойства углерода зависят от кристаллической структуры элемента.

• Атомный номер (число протонов в ядре): 6
• Атомный символ (на периодической таблице элементов): с
• Атомная масса (средняя масса атома): 12.0107
• Плотность: 2.2670 граммов на кубический сантиметр
• Фазы при комнатной температуре: Твердый
• Точка плавления: 6,422 градусов по Фаренгейту (3,550 градусов C)
• Точка кипения: 6,872 Ф (3,800 с) (сублимации)
• Количество изотопов: 15 общий; двух стабильных изотопов, в которых расположены атомы одного элемента с разным количеством нейтронов.
• Наиболее распространенных изотопов: углерода-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерода-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)
• Радиус Vanderwaals 0.091 нм
• Ионный радиус 0.26 нм (-4) ; 0,015 нм (+4)
• Изотопы 3
• Электронные оболочки [ Он ] с 2S 2 2Р 2
• Энергия первой ионизации 1086.1 кДж.моль -1
• Энергия второй ионизации 2351.9 кДж.моль -1
• Энергия третьего ионизации 4618.8 кДж.моль -1

Углерод: от звезд к жизни

Согласно шестому по численности числу элементов во Вселенной, углерод образуется в внутри звезд в реакции, называемой тройным альфа-процессом, согласно Центру астрофизики.

В старых звездах, которые сжигали большую часть своего водорода, сохраняется оставшийся гелий. Каждое ядро гелия имеет два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100 000 000 Кельв. (179,999,540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала как пары в неустойчивые 4-протонные бериллиевые ядра, а в конечном итоге, по мере того, как появляются достаточное количество ядер бериллий, в бериллий и гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углеродом.

Углерод — производитель шаблонов. Он может связываться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он может также связываться с четырьмя другими атомами из-за его расположения электронов. Атомы расположены как ядро, окруженное электронным облаком, причем электроны движутся вокруг на разных расстояниях от ядра. Согласно данным Университета Калифорнии Дэвис, химики понимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.

У углерода есть две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из возможных восьми пространств. Когда атомы связаны, они делят электроны в их внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства в своей внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим числом атомов путем образования двойных и тройных связей).

Другими словами, у углерода есть варианты. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и ученые считают, что углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений. Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что это имеет решающее значение почти для всей жизни. 22) фунтов.

Новые молекулы углерода

Молекулы углерода — это давно изученный элемент, но это не значит, что его больше не найти. Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки жгли как древесный уголь, может стать ключом к технологическим материалам следующего поколения.

В 1985 году Рик Смалли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги обнаружили новую форму углерода. По словам Американского химического общества, испарив графит с помощью лазеров, ученые создали таинственную новую молекулу из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой шара, состоящей из 60 атомов углерода.3 Вт·м−1·К−1) а также лучший проводник электричества (исследования показали, подвижность электронов при значениях более 15 000 см2·в−1·с−1). Другие известные свойства графена его уникальные уровни поглощения света в πα ≈ 2.3% белого света, и его потенциальную пригодность для использования в спиновой транспорт.

Имея это в виду, вы могли быть удивлены знать, что углерод является вторым наиболее распространенным материалом в организме человека и четвертый по распространенности элемент во Вселенной (по массе), после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой для всех известных форм жизни на земле, поэтому графен вполне может быть экологически чистым, устойчивым решением для почти безграничного количества приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена, достижения в рамках разных научных дисциплин взорвались, с огромными достижениями, особенно в области электроники и биотехнологии.

Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой крохотную, соломенно-подобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти трубки чрезвычайно полезны в широком спектре электронных, магнитных и механических технологий. Диаметры этих трубок настолько малы, что они измеряются в нанометрах. Нанометр составляет одну миллиардную часть метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки по меньшей мере в 100 раз прочнее стали, но только на одну шестую, как тяжелые, поэтому они могут добавлять силу практически к любому материалу. Они также лучше, чем медь при проведении электричества и тепла.

Нанотехнологии применяются чтобы превратить морскую воду в питьевую. В новом исследовании ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) разработали процесс углеродных нанотрубок, который может вывести соль из морской воды гораздо эффективнее традиционных технологий.

В исследовании нанотрубок ученые подражали тому, как структурированы биологические мембраны: по существу матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно мелкие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти крошечные нанотрубки обеспечивают очень высокий поток воды, но настолько узкий, что через трубку может проходить только одна молекула воды. И самое главное, солевые ионы слишком велики, чтобы вписаться в трубку.

Исследователи считают, что новое открытие имеет важные последствия для следующего поколения как процессов очистки воды, так и технологий с высоким потоком мембран.

Углекислый газ часто используется в качестве защитной среды для GMAW сварки углеродистых сталей. В случае применения этого газа для других металлов, он может спровоцировать окисление сварных швов, ухудшить металлургические свойства металла. С углеродистыми сталями двуокись углерода взаимодействует наоборот. Он придает полезные свойства сварному шву и не способствует его деформации.

В чем сила углекислого газа для сварки?

Применяя чистый углекислый газ в качестве экранирующей среды не стоит рассчитывать на невероятно красивый сварной шов, но в сочетании с другими газами, например, с аргоном, можно рассчитывать на улучшения стабильности сварочной дуги, получить оптимальную текучесть металла в сварочной ванне, повысить прочность сварных швов.

Чтобы понять почему так важен углекислый газ для сварки стоит предварительно ответить на другие вопросы:

• Как возможна сварка с этим газом, если он способствует окислению?
• Что делает его таким особенным?

9 фактов и преимуществ углекислого газа

Вот некоторые основные причины, из-за которых диоксид углерода применяется в качестве защитного газа для дуговой сварки углеродистых сталей. 9 фактов

Улучшенное проникновение

Как защитный газ двуокись углерода обеспечивает лучшее проникновение и более глубокий провар. Таким образом наличие в экранирующей смеси углекислого газа улучшает физико-химические свойства свариваемого металла в области боковой стенки и корня шва.

Минимизация затрат

Одним из самых больших преимуществ, которое весьма повышает ценность углекислого газа для сварки среди других защитных газов, является его низкая стоимость. Применяя двуокись углерода вместо кислорода можно избежать окисления в металле сварного шва. Будучи тяжелее чем кислород, СО 2 обеспечивает лучшие характеристики экранирования. Но есть одно замечание. Чистый углекислый газ для сварки дешевле, чем аргон и гелий, но в сравнении с ними при его применении качество сварных швов становится хуже, могут быть сварочные брызги. Поэтому чаще всего он применяется в комбинации с иными газами, позволяя таким образом повысить производительность сварочных работ и снизить их себестоимость.

Эффективен в сочетании с другими газами

Как мы говорили, чистый углекислый газ при сварке не дает очень высоких результатов для большинства металлов. Но если его смешать с другими газами, можно добиться значительного улучшения качественных свойств сварного шва и параметров сварочной дуги. К примеру, в сочетании с инертными газами (тот же аргон, соотношение 75% Ar + 25% СО 2 или 82% Ar +18% СО 2 (по стандарту)), устраняется проблема разбрызгивания и дуговой нестабильности.

Если во время сварки углеродистых и легированных сталей плавящимся электродом использовать смесь углекислого газа (до 20%), кислорода (до 5%) и аргона, то можно упредить пористость шва, оптимизировать свойства сварочной дуги, улучшить формирование швов. Смеси, содержащие указанные компоненты, ассоциируются как универсальные. Применяя их, можно выполнять сварку с разными режимами: импульсным и циклическим с короткой дугой, струйным, крупнокапельным и ротационным переносом металла. Такие смеси помогают сваривать углеродистые и низколегированные стали разной толщины.

Углекислый газ может быть в составе тройных смесей (Ar +СО 2 + О 2) или только в сочетании с чистым кислородом (добавляется от 2 – 5% до 20%). В последнем случае двойная смесь способствует уменьшению потерь металла при разбрызгивании на 30-40%, так как перенос электродного металла стает мелкокапельным за счет поверхностного натяжения.

Стоит отметить, бинарные газовые смеси (Аг + СО 2) применяются при технике как обычного – так и импульсно-струйного переноса металла для большинства известных марок углеродистых сталей, нержавейки.

Предотвращение подреза сварного шва

Как известно, диоксид углерода является более плотным газом, он понижает звуковые колебания при сварке. Таким образом применение углекислого газа может предотвратить серьезные недостатки сварки, к которым относится подрез сварного шва.

Безопасность

Углекислота — это нетоксичный, а также не взрывоопасный газ. Если не соблюдать элементарных правил безопасности, превышение допустимой концентрации СО 2 более 92г/м 3 (5%) в закрытых помещениях, емкостях провоцирует кислородную недостаточность, удушье.

Хорошая вентиляция на рабочем месте является важным шагом, позволяющим сделать вашу работу более безопасной.

Защита от ржавчины

Углекислый газ в качестве защитной среды при сварке наименее чувствителен к возможной ржавчине на кромках (в разумных пределах, конечно) и предотвращает ее появление в сварном шве. С одной стороны, применение СО 2 защищает расплавленный металл и сварочную дугу от влияния окружающей атмосферы, с другой — этот газ разлагается при высокой температуре дуги на окись углерода и кислорода, проявляя окисляющее действие на расплавляемый металл. Для связывания кислорода и его удаления из сварочной ванны важным является повышенное количество раскислителей, таких, как кремний и марганец. Двуокись углерода с нормальным содержанием влаги при правильном сочетании с другими газами помогают предотвратить дефекты сварки, такие как пористость, непровар, непровар в металле сварного шва.

Простота и универсальность

• Возможность проведения работ в разных пространственных положениях в режимах автоматической и полуавтоматической сварки.
• Отсутствие необходимости в приспособлениях для подачи и отвода флюса.

Применение СО 2 является наиболее эффективным при сварке тонколистовых углеродистых сталей. Этот газ часто используется при кузовном ремонте легковушек, грузовиков. Тут преимущества наличия защитной среды СО 2 выявляются особенно четко.

Улучшение прочности сварного шва

В процессе сварки, подходящий состав газов и соответствующие расходные материалы являются первичными инструментами и факторами, влияющими на получение необходимой ударной вязкости металла в сварном шве. Диоксид углерода в сочетании с другими газами способствует повышению ударной вязкости сварного соединения.

Снижение поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение является еще одной проблемой для углеродистых сталей. Из-за этого для них проникновение расплава хуже. Наплавляемый металл в расплавленном состоянии приобретает высокое поверхностное натяжение, которое не можно уменьшить при использовании таких инертных газов как гелий, аргон и т.д. В этом случае диоксид углерода является единственным защитным газом, способным уменьшить интенсивность поверхностного натяжения, обеспечивает лучший провар. Таким образом описанные выше преимущества делают углекислый газ для сварки углеродистых сталей весьма важным инструментом хорошего сварного шва, особенно если речь идет о порошковых электродах.

Все знают, что природный газ — одно из важнейших горючих ископаемых, занимающее ключевые позиции в топливно-энергетических балансах многих государств, важное сырье для химической промышленности. Существуют факты, из которых можно узнать много интересного и полезного о газе, о чем многие из нас даже не догадываются.

1. Природный газ не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Характерный же запах, напоминающий запах тухлых яиц, говорит о том, что после добычи в газ добавляют специальное вещество — одорант, запах которого как раз напоминает тухлые яйца. Одорант необходим, чтобы предупредить человека об утечке.

2. В 1971 году при бурении разведочной скважины в Туркменистане геологи наткнулись на подземную полость. Образовался провал, заполненный газом, в который опустилась буровая вышка со всем оборудованием. Чтобы вредный газ не выходил наружу, его решили поджечь. Предполагали, что через несколько дней пожар потухнет, однако газ горит и по сей день. Путешественники дали этому месту название «Дверь в преисподнюю».

3. Канарейки очень чувствительны к содержанию в воздухе метана. Эту особенность использовали в свое время шахтеры, которые, спускаясь под землю, брали с собой клетку с канарейкой. Если пения давно не было слышно, значит следовало подниматься наверх как можно быстрее.

4. Во время Первой мировой войны кошек держали в окопах, чтобы они заранее предупреждали о газовой атаке. А в годы Второй мировой их брали на борт субмарин в качестве живых детекторов качества воздуха.

5. В некоторых штатах американцы добавляют в газ, идущий по газопроводам, химическое вещество с запахом тухлого мяса. Это позволяет легко находить место утечки, над которым начинают кружиться грифы.

6. В XIX веке в России и Европе для освещения улиц использовали искусственный светильный газ, который производили из каменного угля. Этот газ выделялся при нагревании угля в специальных закрытых сосудах — ретортах. Его накапливали в хранилищах и по системе трубопроводов доставляли к уличным газовым фонарям. В России первый завод по производству светильного газа был построен в Петербурге в 1835 году.

7. Еще в древности природный газ начали использовать для домашних нужд. Например, в I веке н.э. персидский царь приказал построить дворцовую кухню на месте, где газ выходил на поверхность. Огонь там горел день и ночь, и не нужно было тратить ни дрова, ни уголь на то, чтобы его поддерживать

8. Длина самого большого в мире танкера для перевозки сжиженного природного газа составляет 345 метров — это в три с половиной раза длиннее, чем футбольное поле.

9. Самый длинный в мире подводный газопровод проложен между Норвегией и Великобританией по дну Северного моря. Называется он «Лангелед». Его длина составляет 1200 км.

10. Общая протяженность газопроводов в России в два раза больше, чем расстояние от Земли до Луны или в 20 раз больше, чем протяженность экватора.

Ходим ли мы, бегаем, думаем и даже мечтаем — абсолютно для любых действий и процессов нужна энергия . Когда мы про­сто лежим, организм продолжает тратить энергию. Даже во сне расход энергии не прекращается ни на секунду: бьется сердце, сокращаются дыхательные мышцы, работает выделительная система и бегут по нервам импульсы. В этом непрерывном об­мене веществ и энергии заключается одно из основных отличий живых организмов от неживой природы.

Самый эффективный путь получения заветных калорий — окислительные процессы при участии кислорода. Именно чтобы обеспечить организму бесконечное окисление содержащихся в нем органических веществ, происходит процесс дыхания. Под дыханием обычно подразумевают постоянные вдохи и выдохи , которые совершают легкие. Однако это внешнее дыхание, пер­вая ступень сложнейшего процесса.

Попав в кровь, кислород в составе белка гемоглобина движется по кровеносной системе и доставляется в каждую клеточку тела. Там, где капилляры не могут подойти непосредственно к клетке, роль посредника выполняет межклеточная жидкость. Только в клетке, а именно в ее части, называемой митохондрией, происходят процессы окисления, в результате которых выделяется необходимая нам энергия.

Откуда берется материал для окисления? Пища — жиры, белки и углеводы — вот топливо, которое медленно, но верно сгорает в кислородной «топке» нашего тела.

Как при любом производстве, здесь не обходится без отходов. Отходами процесса дыхания являются углекислый газ и вода , ко­торые покидают организм различными путями: углекислый газ проделывает тот же путь, что и кислород, но в обратном порядке (клетка — кровь — легкие), вода удаляется через легкие (с во­дяными парами), почки (с мочой), кожу (с потом) и кишечник.

Какие силы в легких заставляют кислород устремляться в кровь, а углекислый газ — покидать ее?

Любой газ в составе смеси (в данном случае такой смесью будет вдыхаемый нами воздух) обладает собственной силой, называемой парциальным давлением. Такой же силой облада­ют и газы, растворенные в жидкой среде (в нашем примере жидкость — это кровь), только здесь эта сила называется на­пряжением. Обе силы измеряются в миллиметрах ртутного столба. Вся «сцена» обмена разыгрывается в легочных пузырь­ках — альвеолах, которые, как гроздья винограда, висят на концах самых мелких бронхов. Стенка альвеолы образована слоем альвеолярных клеток, слоем клеток капилляра и слоем соединительной ткани между ними и служит границей между воздушной средой легких и кровью капилляров. Она очень тонкая — общая толщина всех трех слоев всего 1 мкм — и явля­ется весьма незначительной преградой для газов.

Если парциальное давление газа в газовой смеси больше, чем напряжение этого же газа в жидкости, газ стремится проникнуть в жидкость и раствориться в ней, и наоборот, если напряжение газа в жидкости больше его парциального давления в газовой смеси, газ покидает жидкость. Например, в природе таким способом атмосферный кислород попадает в водоемы — реки и озера, а углекислый газ — из водоемов в атмосферу.

Как происходит газообмен в легких? На уровне моря во вдыхаемом нами воздухе парциальное давление кислорода со­ставляет около 100 мм рт. ст., а его напряжение в венозной кро­ви -40 мм рт. ст. Естественно, кислород «давит» в газе сильнее, чем «напрягает» в жидкости, и эта сила заставляет его поступать в кровь, пока давление и напряжение кислорода не уравнове­сятся. Кровь протекает через капилляры легких за 0,5 с, а чтобы кровь из венозной превратилась в артериальную, достаточно половины этого времени. При здоровом состоянии человека артериальная кровь насыщается кислородом на 95-97 %.

Для углекислого газа картина обратная. Его парциальное давление в альвеолах — 40 мм рт. ст., а напряжение в кро­ви — 46 мм рт. ст., поэтому углекислый газ «выталкивается» из крови, пока не наступит равновесие. Несколько странным может показаться факт, что, несмотря на меньшую разницу между напряжением и давлением, углекислый газ покидает кровь в 20 раз быстрее, чем кислород проникает в нее. Это про­исходит потому, что растворимость углекислого газа в 25 раз больше, чем кислорода. Тем не менее артериальная кровь наряду с кислородом всегда содержит небольшое количество углекислого газа.

Дыхание до некоторой степени контролируется сознанием. Мы можем заставить себя дышать чаще или реже, а то и во­все задержать дыхание. Однако как бы долго мы ни старались сдерживать вдох, наступает момент, когда это становится не­возможным. Сигналом для очередного вдоха служит не недо­статок кислорода , что могло бы показаться логичным, а избыток углекислого газа . Именно накопившийся в крови углекислый газ является физиологическим стимулятором дыхания . После открытия роли углекислого газа его начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательно­го центра. Этот же принцип используют при наркозе.

В нормальных условиях в состоянии покоя человек совер­шает около 15 дыхательных циклов, то есть вдох-выдох проис­ходит каждые 4-5 с. Если искусственно понизить содержание углекислого газа в крови путем гипервентиляции, выполнив шесть-восемь частых глубоких вдохов и выдохов, то после по­следнего выдоха наступает интересное состояние — на некото­рое время исчезает потребность дышать. Желание сделать вдох появляется примерно через 0,5 мин вместо обычных 4-5 с. Это происходит потому, что при гипервентиляции углекислый газ активно удаляется из организма и его напряжение в артериаль­ной крови значительно падает. Теперь для возбуждения дыха­тельного центра потребуется больше времени, пока содержание углекислого газа не достигнет нужного уровня. Чем чревата гипервентиляция для ныряльщиков, вы узнаете позже.

Примером гипоксии, часто приводящей к смерти, является отравление угарным газом . Особенно велико его содержание в автомобильных выхлопах. Коварство этого газа в том, что он не имеет цвета и запаха . Единственный признак начинающе­гося отравления — непреодолимое желание спать. Угарный газ, как и кислород, соединяется с гемоглобином, но эта связь в 300 раз прочнее. Чем дольше человек дышит угарным газом, тем меньше кислорода остается в его крови. Единственное, что может спасти человека при тяжелом отравлении, — срочное переливание крови, так как при этом в организм поступят эри­троциты, свободные от угарного газа и способные переносить кислород.

Отравление угарным газом — это крайний случай гипок­сии. В целом у человека, как и у других живых существ, есть разнообразные приспособления для борьбы с недостатком кис­лорода -учащение дыхания, усиление выработки красных кле­ток крови и ускорение синтеза гемоглобина. Если содержание кислорода и меняется в окружающей среде, то исключительно в сторону уменьшения, а вот от избытка кислорода организму защищаться нечем.

Как ни странно, при дыхании чистым кислородом наступа­ет отравление организма , а затем гибель от асфиксии, то есть удушья. Если во вдыхаемом воздухе содержание кислорода чрезмерно велико, гемоглобин крови на 100 % насыщается кислородом, а молекулы кислорода, которым не хватило места в эритроцитах, растворяются в крови и отправляются в «сво­бодное плавание». По мере того как эритроциты отдают кис­лород клеткам, его «свободно плавающие» молекулы занимают освободившееся место. Проходя через капилляры, эритроциты не успевают забрать основную массу углекислого газа, так как 75 % его переносится к легким именно эритроцитами и только 25 % растворяется в плазме крови. Тогда молекулы углекислого газа остаются не удел, ведь «оседлать» эритроциты они могут, только пока те плывут по капиллярам, поскольку газообмен происходит исключительно в этих сосудах. Так вместо венозной крови по венам течет кровь, полная кислорода, а углекислый газ остается в клетках и провоцирует приступ удушья.

В легких кровь снова насыщается кислородом сверх нормы, и история повторяется. Очень быстро количество углекислого газа в клетках и тканях становится настолько ощутимым, что краснеет лицо, появляются одышка, головная боль и судороги (подергивания в мышцах губ, век, лица и пальцев рук и ног), и в конце концов человек теряет сознание, а «беспризорный» кислород продолжает наводить свои порядки. Его молекулы чрезвычайно активны и тратят окислительные силы направо и налево. В первую очередь они разрушают клеточные мембра­ны, которые состоят главным образом из легко окисляющихся липидных (жироподобных) молекул. Несколько сотен окислен­ных молекул липида могут запустить цепную реакцию самораз­рушения всей клетки. Распадающиеся молекулы уже не просто неспособны выполнять свои функции — они очень токсичны. Разрушаются клетки легких и кровеносных сосудов, страдают сердце, печень, головной и спинной мозг. В атмосфере чистого кислорода человек может выжить не более суток .

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Венозная кровь окрашена в темно-вишневый цвет, а в тропиках она приобретает алый оттенок. Это происходит потому, что в теплом и влажном климате человеку требуется меньше энергии для под­держания процессов жизнедеятельности и нормальной температу­ры тела. Следовательно, организм потребляет меньше кислорода, поэтому в вены возвращается кровь, богатая кислородом. Самые потребляющие кислород органы — сердечная мышца и го­ловной мозг. На 1 мм 2 этих органов приходится 2,5-3 тыс. капилля­ров, тогда как на 1 мм 2 скелетной мышцы — только 0,3-1 тыс. ка­пилляров.

Около 15 % всего кислорода, который поступает в организм в со­стоянии покоя, потребляет сердце.

При вдохе сокращения сердца учащаются, а при выдохе — за­медляются.

Общая площадь альвеол у взрослого человека примерно в 50 раз больше поверхности тела.

Слайд 2

Углекислый газ

Углекислый газ бесцветный, без запаха. Он почти в 1,5 раза тяжелее воздуха. При обычных условиях в одном объёме воды растворяется один объём углекислого газа.

Слайд 3

В воздухе всегда содержится около 0,3% углекислого газа. Содержание его в воздухе непостоянное. Воздух в городах, особенно вблизи заводов и фабрик, содержит несколько больше угле-кислого газа, чем воздух в сельской местности.

Слайд 4

Образуется углекислый газ при дыхании и сгорании топлива, а также при тлении и гниении различных органических веществ.

В воде многих минеральных источников содержится значительное количество растворённого углекислого газа. Один из таких источников минеральной воды находится в Кисловодске. Ежесуточно этот источник выносит около двух с половиной миллионов литров минеральной воды, содержащей до 5 г свободного углекислого газа.

Слайд 5

В водах морей и океанов содержится очень много растворённого углекислого газа, в десятки раз больше, чем в воздухе.

Слайд 6

При увеличении давления до 60 атм он превращается в бесцветную жидкость. При испарении жидкого углекислого газа часть его может превратиться в твёрдую снегообразную массу. Её прессуют и получают так называемый «сухой лёд», который при обычном давлении возгоняется, не плавясь, причём температура его понижается до -78,5°С. Поэтому сухой лёд в основном применяют для хранения пищевых продуктов и в первую очередь мороженого.

Предыдущая статья: Янычары: спецназ Османской империи (4 фото) Следующая статья: Грачев, павел Генерал армии грачев министр обороны рф

Углерод (элемент) — факты, открытия, атомная структура и использование

Карбон — невероятный элемент. Расположите атомы углерода в одном порядке, и они станут мягким, податливым графитом. Переложите аранжировку и — готово! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.

Углерод также является ключевым ингредиентом большей части жизни на Земле; пигмент, которым были сделаны первые татуировки; и основа для технологических чудес, таких как графен, который является более прочным, чем сталь, и более гибким, чем резина, материалом.[См. Периодическую таблицу элементов]

Углерод естественным образом встречается в виде углерода-12, который составляет почти 99 процентов углерода во Вселенной; углерод-13, составляющий около 1 процента; и углерод-14, который составляет ничтожное количество общего углерода, но очень важен при датировании органических объектов.

Только факты

• Атомный номер (количество протонов в ядре): 6
• Символ атома (в Периодической таблице элементов): C
• Атомный вес (средняя масса атома): 12.0107
• Плотность: 2,2670 грамма на кубический сантиметр
• Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
• Точка плавления: 6 422 градуса по Фаренгейту (3550 градусов C)
• Точка кипения: 6872 F (3800 C) (сублимация)
• Количество изотопов : Всего 15; два стабильных изотопа, которые представляют собой атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
• Наиболее распространенные изотопы: углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерод-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)

Углерод: от звезд к жизни

В качестве шестого по распространенности По данным Центра астрофизики и суперкомпьютеров Суинберна, углерод образуется в недрах звезд в результате реакции, называемой процессом тройного альфа.

В старых звездах, которые сожгли большую часть своего водорода, накапливается остаток гелия. В каждом ядре гелия есть два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100000000 Кельвинов (179 999 540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала в виде пар в нестабильные 4-протонные ядра бериллия, а в конечном итоге, когда возникает достаточное количество ядер бериллия, в бериллий плюс гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углерод.

Carbon — производитель моделей. Он может соединяться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он также может связываться с четырьмя другими атомами из-за своего электронного расположения. Атомы расположены в виде ядра, окруженного электронным облаком, причем электроны кружатся на разном расстоянии от ядра. По данным Калифорнийского университета в Дэвисе, химики воспринимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.Углерод имеет две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из восьми возможных пространств. Когда атомы связываются, они разделяют электроны в своей внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства во внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим количеством атомов, образуя двойные и тройные связи.)

Другими словами, у углерода есть возможности. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и, по оценкам ученых, углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений, согласно веб-сайту Chemistry Explained.Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что он имеет решающее значение почти для всего живого.

Открытие углерода потеряно для истории. Элемент был известен доисторическим людям в виде древесного угля. По данным Всемирной угольной ассоциации, углерод, как уголь, по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, другая форма углерода, является обычным промышленным смазочным материалом.

Углерод-14 — радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для датировки объектов и останков. Углерод-14 встречается в атмосфере в естественных условиях. По данным Университета штата Колорадо, растения поглощают его при дыхании, в ходе которого они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, обратно в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Животные включают углерод-14 в свое тело, поедая растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.

Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает с некогда живыми организмами, включая предметы из дерева или другого растительного материала.

Кто знал?

• Углерод получил свое название от латинского слова carb , что означает «уголь».
• Алмазы и графит являются одними из самых твердых и самых мягких известных природных материалов соответственно.22) фунтов.
• Двуокись углерода (атом углерода плюс два атома кислорода) составляет около 0,04 процента атмосферы Земли, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) — это больше, чем в доиндустриальные времена, из-за сжигания ископаемого топлива.
• Окись углерода (атом углерода плюс один атом кислорода) — это газ без запаха, образующийся при сжигании ископаемого топлива. Окись углерода убивает, связываясь с гемоглобином, соединением, переносящим кислород в крови.Окись углерода связывается с гемоглобином в 210 раз сильнее, чем кислород, связывается с гемоглобином, эффективно вытесняя кислород и удушая ткани, согласно статье 2001 года в журнале Королевского медицинского общества.
• Алмаз, самая яркая версия углерода, образуется под большим давлением глубоко в земной коре. По данным Royal Collection Trust, самым крупным из когда-либо обнаруженных алмазов ювелирного качества был алмаз Куллинан, который был обнаружен в 1905 году. Неограненный алмаз был 3106 штук.75 карат. Самый крупный драгоценный камень, вырезанный из камня, весом 530,2 карата, является одной из жемчужин короны Соединенного Королевства и известен как Великая звезда Африки.
• Согласно исследованию 2009 года, опубликованному в Journal of Archaeological Science, татуировки Ледяного Человека Эци, трупа возрастом 5300 лет, найденного в замороженном виде в Альпах, были сделаны из углерода. На коже делали небольшие разрезы и втирали древесный уголь, возможно, как часть лечения иглоукалыванием.

Текущие исследования

Углерод — элемент давно изучаемый, но это не значит, что открывать больше нечего.Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки сжигали в виде древесного угля, может быть ключом к технологическим материалам следующего поколения.

В 1985 году Рик Смолли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги открыли новую форму углерода. По данным Американского химического общества, испаряя графит с помощью лазеров, ученые создали загадочную новую молекулу, состоящую из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой в форме футбольного мяча из 60 атомов углерода. Исследовательская группа назвала свое открытие бакминстерфуллереном в честь архитектора, спроектировавшего геодезические купола.Эта молекула теперь более известна как «бакибол». Обнаружившие его исследователи получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Согласно исследованию, опубликованному в 2009 году в Журнале химической информации и моделирования, Buckyballs препятствуют распространению ВИЧ; медицинские исследователи работают над прикреплением лекарств, молекула за молекулой, к бакиболам, чтобы доставлять лекарства непосредственно к местам инфекции или опухолям в организме; это включает исследования Колумбийского университета, Университета Райса и других.

С тех пор были открыты другие новые молекулы чистого углерода, названные фуллеренами, в том числе эллиптические «бакьягцы» и углеродные нанотрубки с удивительными проводящими свойствами. Углеродная химия все еще достаточно популярна, чтобы получить Нобелевские премии: в 2010 году исследователи из Японии и США выиграли одну за то, что выяснили, как связать атомы углерода вместе с помощью атомов палладия — метода, который позволяет производить большие и сложные молекулы углерода. в Нобелевский фонд.

Ученые и инженеры работают с этими углеродными наноматериалами, чтобы создавать материалы прямо из научной фантастики. В статье 2010 года в журнале Nano Letters сообщается об изобретении гибких проводящих тканей, погруженных в «чернила» из углеродных нанотрубок, которые можно использовать для хранения энергии, возможно, открывая путь для носимых батарей, солнечных элементов и другой электроники.

Однако, возможно, одна из самых горячих областей в современных исследованиях углерода связана с «чудо-материалом» графеном.Графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Это самый прочный из известных материалов, при этом он остается сверхлегким и гибким. И проводит электричество лучше, чем медь.

Массовое производство графена представляет собой проблему, хотя исследователи в апреле 2014 года сообщили, что они могут производить большие количества графена, используя только кухонный блендер. Если ученые смогут выяснить, как легко сделать много графена, этот материал может стать огромным в техническом плане. Представьте себе гибкие, небьющиеся гаджеты, которые к тому же тонкие как бумага.Углерод действительно прошел долгий путь от древесного угля и алмазов.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой крохотную соломоподобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти лампы чрезвычайно полезны в большом количестве электронных, магнитных и механических технологий. Диаметр этих трубок настолько мал, что измеряется нанометрами. Нанометр равен одной миллиардной метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки, по крайней мере, в 100 раз прочнее стали, но только в шестую часть тяжелее, поэтому, согласно данным nanoScience Instruments, они могут повысить прочность практически любого материала.Они также лучше, чем медь, проводят электричество и тепло.

Нанотехнологии применяются для превращения морской воды в питьевую. В новом исследовании ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали процесс получения углеродных нанотрубок, который может извлекать соль из морской воды гораздо эффективнее, чем традиционные технологии.

Например, традиционные процессы опреснения закачивают морскую воду под высоким давлением, направляя ее через мембраны обратного осмоса.Эти мембраны затем задерживают все крупные частицы, включая соли, позволяя проходить только чистой воде. Однако, по данным LLNL, эти опреснительные установки очень дороги и могут обрабатывать только около 10 процентов потребности округа в воде.

В исследовании нанотрубок ученые имитировали структуру биологических мембран: по сути, это матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно маленькие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.Эти крошечные нанотрубки пропускают очень сильный поток воды, но они настолько узкие, что только одна молекула воды может проходить через трубку за раз. И самое главное, ионы соли слишком велики, чтобы пройти через трубку.

Исследователи считают, что новое открытие имеет важное значение для следующего поколения как процессов очистки воды, так и высокопроницаемых мембранных технологий.

Дополнительный отчет от Трейси Педерсен, сотрудника Live Science.

Следуйте за Стефани Паппас в Twitter и Google+ .Следуйте за нами @livescience , Facebook и Google+ .

Подробнее об углероде:

Факты об углероде — использование, свойства, атом, структура, волокно, графит, элемент C

углерода | Факты, использование и свойства

Свойства и использование

По весу углерод занимает 19-е место по содержанию элементов в земной коре, и, по оценкам, во Вселенной в 3,5 раза больше атомов углерода, чем атомов кремния. Только водород, гелий, кислород, неон и азот атомно более распространены в космосе, чем углерода.Углерод — это космический продукт «горения» гелия, в котором три ядра гелия с атомным весом 4 сливаются с образованием ядра углерода с атомным весом 12.

В земной коре элементарный углерод является второстепенным компонентом. Однако соединения углерода (т.е. карбонаты магния и кальция) образуют обычные минералы (например, магнезит, доломит, мрамор или известняк). Кораллы и раковины устриц и моллюсков состоят в основном из карбоната кальция. Углерод широко распространен в виде угля и органических соединений, которые составляют нефть, природный газ и все ткани растений и животных.Естественная последовательность химических реакций, называемых углеродным циклом, включающая преобразование атмосферного углекислого газа в углеводы путем фотосинтеза в растениях, потребление этих углеводов животными и их окисление посредством метаболизма с образованием углекислого газа и других продуктов, а также возврат углерода. диоксид в атмосферу — один из важнейших биологических процессов.

Углерод как элемент был открыт первым человеком, обработавшим древесный уголь из огня.Таким образом, вместе с серой, железом, оловом, свинцом, медью, ртутью, серебром и золотом углерод был одним из небольшой группы элементов, хорошо известных в древнем мире. Современная химия углерода берет свое начало с разработки углей, нефти и природного газа в качестве топлива и с объяснения синтетической органической химии, которые в значительной степени развивались с 1800-х годов.

Элементарный углерод существует в нескольких формах, каждая из которых имеет свои физические характеристики.Две из его четко определенных форм, алмаз и графит, имеют кристаллическую структуру, но они различаются по физическим свойствам, потому что расположение атомов в их структурах отличается. Третья форма, называемая фуллереном, состоит из множества молекул, полностью состоящих из углерода. Сфероидальные фуллерены с закрытой клеткой называются бакерминстерфуллеренами или «бакиболами», а цилиндрические фуллерены — нанотрубками. Четвертая форма, называемая Q-углеродом, является кристаллической и магнитной. Еще одна форма, называемая аморфным углеродом, не имеет кристаллической структуры.Другие формы, такие как технический углерод, древесный уголь, сажа, уголь и кокс, иногда называют аморфными, но рентгеновское исследование показало, что эти вещества действительно обладают низкой степенью кристалличности. Алмаз и графит встречаются на Земле в природе, и их также можно производить синтетическим путем; они химически инертны, но соединяются с кислородом при высоких температурах, как и аморфный углерод. Фуллерен был случайно обнаружен в 1985 году как синтетический продукт в ходе лабораторных экспериментов по моделированию химического состава атмосферы гигантских звезд.Позже было обнаружено, что он встречается в природе в крошечных количествах на Земле и в метеоритах. Q-углерод также является синтетическим, но ученые предполагают, что он может образовываться в горячей среде некоторых ядер планет.