Углерод - основа жизни
Удивительны свойства углерода. Но, благодаря подходу, реализуемому в общей теории взаимодействий, мы раскроем тайны многообразия аллотропных соединений углерода, покажем, откуда возникает возможность в образовании двойных и тройных связей атомов углерода, и, в конечном итоге покажем, почему именно углерод стал той основой, на которой базируется жизнь.
Для начала приведём общеизвестные данные об углероде. Углерод (лат. Carboneum) - химический элемент четвёртой группы периодической системы Менделеева; атомный номер 6, атомная масса 12.011. Температура плавления 3825 градусов Цельсия, температура кипения 4817. Имеет два стабильных изотопа 12 - 98,892%, и 13 - 1.008%. Содержание углерода в земной коре составляет 2.3 10-2% по массе.
История знакомства человека с этим веществом уходит далеко в глубь веков. Неизвестно имя того, кто открыл углерод, неизвестно, какая из форм чистого углерода - графит или алмаз - была открыта раньше. Менделеев в "основах химии" писал:" Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях... Ни в одном из элементов ...способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде... Ни одна пара элементов не даёт столь много соединений, как углерод с водородом".
Начнём с известных веществ на основе чистого углерода. Это графит, карбин и алмаз.
В случае с графитом, внешние электроны в каждом атоме углерода располагаются в одной плоскости, в вершинах квадрата.
На рисунке показаны связи между атомами углерода в графите. Два атома, обозначенные на рисунке буквой А лежат в другой плоскости (выше), чем атомы углерода, обозначенные буквами В и С. Сплошными линиями показаны связи электронов со "своим" ядром, пунктирными - химические связи между разными атомами углерода. На рисунке видно, что связи между слоями, да и между атомами углерода в одном слое довольно слабые, так как электроны, не участвующие в образовании химических связей, ослабляют её, отталкиваясь друг от друга. это и является причиной известных физических свойств графита. Обратите внимание, что в графите, остаётся очень много вакантных ячеек, а это, в свою очередь, является причиной его высокой электрической проводимости.
 Карбин - это линейный полимер, существующий в двух формах, отличающихся характером и чередованием химических связей. Карбин (получен в начале 60-х годов) обладает полупроводниковыми свойствами, причём под действием света его проводимость сильно увеличивается. Во второй форме карбина - поликумулене - атомы углерода связаны между собой только двойными связями.
Аллотропному соединению углерода в виде алмаза, соответствует другое расположение электронов на внешней электронной оболочке. Здесь каждый атом углерода располагается в вершине тетраэдра.
 Данный рисунок требует некоторых пояснений. На цветном рисунке показано расположение электронов вокруг ядра в каждом из атомов углерода, образующих алмаз. Вывод о том, что строение электронной оболочки имеет в алмазе именно такой вид основано на тех условиях, при которых алмаз может быть получен (давление около 60 000 атмосфер, температура 1600 - 2000 градусов). При таких условиях электронная оболочка углерода из обычной (с двумя электронами на внутренней и четырьмя на внешней) трансформируется в указанную на рисунке (4 на внутренней в виде тетраэдра, и два на внешней в двух из четырёх вершинах тетраэдра). Две другие вершины верхнего уровня займут в алмазе электроны двух других атомов. Таким образом, ни одна связь в алмазе не совпадает по расположению с другими. Именно в этом нам видится причина такой высокой прочности алмаза (по твердости превосходит все природные и все, кроме кристаллического нитрида бора, искусственные материалы).
В настоящее время число различных аллотропных модификаций углерода увеличилось до 6. Искусственным путем были получены лонсдейлит, графен и фуллерен.
Квантовая механика объясняет такое разнообразие гибритизацией орбиталей. В общей теории взаимодействий всё значительно проще. Разнообразие аллотропных соединений углерода прямо вытекает из строения его электронной оболочки.
Строение электронной оболочки углеродаУ атома углерода 6 электронов. Заряд ядра равен +6. Возможны два варианта размещения электронов вокруг ядра. При минимальной энергии атома углерода все шесть электронов будут расположены в одном слое (смотрите рисунок) и валентность углерода будет равняться двум. Если же повысить энергию атома углерода то конфигурация электронной оболочки изменится, и примет вид указанный на другом рисунке. Валентность углерода в таком виде будет равняться 4.
|
17.06.10
|
|
|
25.05.10
|
|
|
27.08.09
|
|
|
11.07.09
|
|
|
05.07.09
|
|
