6. УГЛЕРОД-CARBONEUM (С)

"Что может быть общего между пестрым букетом цветов и куском каменного угля? Что общего между разнообразным содержимым склянок, аккуратно расставленных на полках аптечных шкафов, и нефтью?

Общего, конечно, мало! И долго пришлось бы искать такого чудака, который своей возлюбленной вместо духов решился бы преподнести.... кусок каменного угля. Правда, в Париже была мода на бусы из... антрацита. Не нашлось бы, пожалуй, и врача, рекомендовавшего своим пациентам вместо лекарств натуральную нефть.

Однако и черный, невзрачный, тускло поблескивающий в солнечных лучах кусок каменного угля, и пестрый букет цветов, и нефть - все они содержат углерод, без которого невозможно существование ни медикаментов, ни большинства взрывчатых веществ, ни огромного множества так называемых органических соединений, из которых в свою очередь состоят организмы человека, животных и растений.

Углерод - единственный из элементов, способный только с одним водородом давать бесчисленное множество соединений. Это объясняется своеобразием химического строения атомов углерода. В отличие от большинства других элементов атомы углерода способны химически соединяться между собой, образуя при этом то прямые, то разветвленные цепочки, то замкнутые, кольцеобразные молекулярные структуры. Число атомов углерода в таких соединениях колеблется от единиц до многих десятков и даже сотен. Если учесть, что свободные валентности (атом углерода четырехвалентен), помимо водорода, могут быть насыщены атомами или группами атомов других элементов, то число возможных соединений углерода становится буквально неисчислимым.

И если число минералов, т. е. природных неорганических соединений, достигает 3 тыс., а из всех, кроме углерода, элементов, вместе взятых, усилиями химиков получено около 50 тыс. соединений, то число соединений, содержащих углерод, уже сейчас составляет не менее 2 млн.

Благодаря способности углерода давать огромное количество различных соединений возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных. Достаточно указать, что одних только видов насекомых некоторыми исследователями насчитывается не менее 2-3 млн. Общее число видов растений на земном шаре близко к 500 тыс., число видов позвоночных превышает 57 тыс.

Однако углерод не определяет основной, массы живого вещества и составляет в среднем не более 10 % ее веса. Но и при такой величине общее количество углерода, содержащегося в живом веществе, по данным академика В. И. Вернадского, составляет 100000 млрд. т. Такое же количество углерода находится в океанах и морях земного шара. 20 000 млрд. т углерода содержится в каменном угле. 2000 млрд. т углерода "висит" в атмосфере, где углерод находится в виде углекислого газа. Больше всего углерода входит в состав известняков, мела, мрамора - тех видов углеродных соединений, из которых сложены некоторые горы и горные хребты.

Все виды соединений углерода в природе так или иначе связаны с живым веществом. И даже огромные количества известняков, мрамора и мела, в которых количество углерода в тоннах выражается цифрой 3 с шестнадцатью нулями, обязаны своим происхождением живому веществу. Микроскопические организмы - корненожки, в несметных количествах жившие в теплых водах первобытных морей, строили свои скелеты из карбоната кальция. После смерти корненожек скелеты их падали на дно, где, скапливаясь и уплотняясь в течение миллионов лет, образовали пласты известняков. Площадь, занимаемая обнаженными и погребенными углекислыми породами (известняками, мелом, мрамором и др.), составляет на всем земном шаре 40 000 000 км2.

После высыхания или перемещения морей, а также в результате горообразования толщи известняков выходили на поверхность или оставались в глубинах земной коры. В последнем случае известняки под влиянием высокой температуры превращались в новые соединения углерода, а частью разлагались с выделением углекислого газа. Этот газ в свободном виде или растворенный в воде, встречаемой на пути его движения по трещинам земли, выходил на ее поверхность и рассеивался в атмосфере.

Большие количества углекислого газа выбрасываются в атмосферу действующими вулканами. Так, например, известен случай, когда от выделившегося при извержении Везувия углекислого газа погибло множество мелких животных.

В некоторых местах земного шара углекислый газ постоянно в больших количествах выделяется из глубины земли. Около двадцати столетий известна человечеству "Собачья пещера" возле Неаполя. В ней тяжелый углекислый газ стелется по дну пещеры слоем до полуметра. Собаки, попадающие в эту пещеру, задыхаются и погибают, хотя для человека пребывание в пещере безопасно. Отсюда и произошло название пещеры, без упоминания о которой в прошлом не обходился, пожалуй, ни один учебник химии. Мощные выходы углекислого газа находятся в Индонезии. Обширная и глубокая впадина, существующая у подножия одного из вулканов на острове Ява, известна под названием Долины смерти. Дно ее усеяно множеством скелетов животных и даже людей, случайно попавших туда и задохнувшихся в атмосфере углекислого газа, наполняющего долину.

Огромные количества углекислого газа выносятся водными источниками, изливающимися в окрестностях потухших вулканов. Особого упоминания заслуживает красавец Кавказского хребта Эльбрус, возле которого встречаются источники, насыщенные углекислым газом. Всемирно известный курорт Кисловодск своим появлением обязан "Нарзану" - одному из таких источников. Ежесуточно этот источник выкосит около двух с половиной миллионов литров минерализованной воды, содержащей до 5 т свободного углекислого газа.

Бывалые альпинисты, устраиваясь на ночевку высоко в горах, обязательно устанавливают палатку на площадке с наклоном к выходу для облегчения ухода тяжелого углекислого газа, выделяемого при дыхании. В противном случае спящего ожидают не только страшные сновидения в результате удушья, но и более печальные последствия. Углекислый газ поглощается растениями. Без углерода, входящего в состав углекислого газа, невозможен синтез растительных углеводов, жиров, белков и других органических веществ.

Из углекислого газа, содержащегося в атмосфере, растения извлекают ежегодно не менее 15 млрд. т углерода. В процессе выветривания горных пород на образование углекислых солей ежегодно расходуется из атмосферы от одного до двух млрд. т углерода. В результате подобных природных процессов атмосфера обедняется углекислым газом. В атмосфере сейчас содержится не более 0,03 % углекислого газа по объему. Углекислый газ способен пропускать на Землю солнечные лучи и задерживать в значительной мере обратное излучение тепла земной поверхностью. Колебание содержания углекислого газа в атмосфере влияет на изменение климата Земли.

Нефть - это в основном смесь различных соединений углерода с водородом. Она представляет собой нерастворимую в воде маслянистую коричнево-бурую или черную жидкость с зеленоватым отливом; плотность ее 0,75-0,95. Из глубоких нефтяных пластов добывают нефть и более тяжелую.

Свободный углерод встречается либо в виде прозрачного, играющего огнями всех цветов радуги драгоценного самоцвета - алмаза, либо в виде непрозрачного темно-серого, почти черного, жирного наощупь вещества - графита.

Алмазы были известны еще народам древности. Само слово "алмаз" происходит или от арабского "алмас", что значит "твердейший", или от греческого слова "адамас", означающего "несокрушимый", "непреодолимый". И то и другое название намекает на твердость алмаза, который действительно является самым твердым из всех природных минералов.

Долгое время природа алмаза была загадкой и его считали чистейшим образцом горного хрусталя. В 1649 г. флорентийские академики нагрели алмаз так, что "не нашли" от него ни малейшего следа, установив тем самым, что алмаз горюч.

Долгое время считали, что крупные алмазы можно получить путем сплавления мелких. В 1773 г. в Петербурге в Горном училище выдающийся русский минералог А. М. Карамышев, желая опровергнуть это мнение, произвел "сжигание алмаза нарочитой величины".

Однако только после опытов английского химика Теннана, сжегшего в 1797 г. алмаз в плотно закрытом золотом футляре, было доказано, что алмаз не что иное, как чистый углерод.

Долгое время единственными поставщиками алмазов были Индия и остров Борнео. В 30-х годах XVIII в. были обнаружены алмазы в Бразилии, в 1851 г. - в Австралии, наконец, в 1867 г. -в Южной Африке.

Африканские месторождения, доставлявшие впоследствии 95-98 % всех добываемых в капиталистических странах алмазов, были открыты охотником за страусами. Он обратил внимание на блестящий камешек, которым играли крестьянские ребятишки на берегу Оранжевой реки. Выпросив понравившуюся "гальку", охотник показал ее сведущему специалисту, который признал в камешке алмаз. Каждое новое открытие алмазных месторождений порождало "алмазную лихорадку" среди дельцов, предпринимателей и просто авантюристов, жаждавших "сказочного" обогащения. Тысячи людей устремлялись на поиски богатства и часто находили лишь нужду, лишения, теряя здоровье, а нередко и жизнь.

Открытие алмазных месторождений в Южной Африке лишило покоя жадных до наживы английских капиталистов-колонизаторов, спровоцировавших в 1899 г. войну с маленькими бурскими (Буры, или боеры - выходцы из Голландии. Боеры - по-голландски "крестьяне") республиками - Оранжевой и Трансваалем. В 1902 г. война закончилась победой англичан, ставших таким образом обладателями богатейших в мире алмазных месторождений.

В течение 1954-1955 гг. богатые месторождения алмазов обнаружены у нас в Якутии. Среди алмазов, найденных в 1956 г. Амакинской экспедицией (от эвенского слова "амака", что значит "медведь") в Якутии, встречались достаточно крупные образцы. В .1957 г. был найден крупный кристалл алмаза, названный в память годовщины воссоединения Якутии с Россией "325 лет Якутии".

Обычно алмазы заключены в особой алмазоносной маточной породе - кимберлите, наполняющей гигантские трубчатые каналы, вертикально уходящие в глубь земли. Образование этих каналов, по-видимому, связано с прорывом огненно-жидкой массы из глубины земли к ее поверхности в результате гигантских извержений глубинных пород. Кристаллизация алмаза совершалась глубоко в земле под огромным давлением и при высокой температуре. До открытия африканских месторождений алмазы находили в россыпях, т. е. вдали от мест их образования среди разрушенных горных пород - песка, гравия, почвенных отложений. Содержание алмазов в россыпях обычно не превышает 5-10 каратов на один кубический метр породы.

Искусственно ограненные алмазы называются бриллиантами и являются предметом роскоши. В России особую пышность и блеск приобрели бриллиантовые украшения при Екатерине II. Головокружительная роскошь двора Екатерины тяжелым бременем ложилась на плечи крепостного люда. Чтобы судить о сказочности украшений приближенных императрицы, достаточно вспомнить появление Потемкина на празднике в Таврическом дворце в парадной шляпе, которую из-за тяжести многочисленных бриллиантов трудно было носить на голове. Специальный адъютант носил ее за Потемкиным в руках. Шляпе Потемкина не уступал и усыпанный бриллиантами камзол одного из вельмож екатерининских времен, изображенный кистью В. Л. Боровиковского на портрете "бриллиантового князя", хранящегося в Русском музее в Петербурге.

Учрежденный Президиумом Верховного Совета СССР маршальский знак отличия "Маршальская звезда" имеет 31 бриллиант. Из них самый крупный помещается в центре "Маршальской звезды" и весит 2,62 карата. 5 бриллиантов, размещенных между лучами "Маршальской звезды", имеют общий вес в 3,06 карата.

Крупные алмазы - большая редкость, число их невелико и "биография" каждого была связана с переходами из рук в руки, от одного владельца к другому. История каждой такой драгоценности - это история человеческой подлости, дворцовых интриг, кровавых преступлений, чередующихся с безграничной властью восточных владык, жестокой эксплуатацией народа, ослепляющей роскошью индийских раджей, французских королей и русских царей.

Крупнейшим из когда-либо найденных на земле был алмаз "Куллинан". Этот алмаз был найден в 1905 г. и свое название получил от имени одного из владельцев рудника "Премьер", где этот алмаз был найден. До огранки он имел величину женского кулака и весил 3106 каратов (621 г). При обработке его раскололи по направлению имевшихся трещин и вырезали 105 сравнительно мелких бриллиантов. Наибольший из них, получивший название "Звезда Африки", имеет форму капли и весит 530 каратов. Вторым по величине был алмаз "Эксцельсиор", также найденный в 1893 г. в Южной Африке на руднике Ягерсфонтейн. До огранки он весил 995,3 карата. В результате обработки было получено свыше 20 бриллиантов, наибольший из них весил 70 каратов. В 1945 г. в россыпях Сьерра-Леоне в Западной Африке был найден третий по величине алмаз в 770 каратов.

В числе индийских алмазов -знаменитый "Шах", которым персидское правительство, "умилостивляя белого царя", расплатилось за кровь известного русского дипломата и выдающегося писателя А. С. Грибоедова, павшего от руки наемного .убийцы 30 января 1829 г. в столице Персии Тегеране.

Плотность алмазов для чистых образцов составляет 3,52, возрастая у окрашенных образцов до 3,55. Окраска алмазов обусловливается примесями. Алмазы красивой синей, зеленой и красноватой окраски весьма редки и ценятся очень высоко. Знаменитый густо-синий алмаз "Гоппе" из Индии в 44,5 карата является одним из ценнейших в мире. Бриллиант красивого красного цвета в 10 каратов был приобретен русским императором Павлом I за 100 000 рублей.

Алмазы - хорошие проводники тепла, электризуются при трении, не представляют преграды для рентгеновских лучей и химически устойчивы. Ни одна из известных концентрированных кислот, даже при повышенной температуре, не действует на них. При нагревании до 2-3 тыс. градусов без доступа кислорода алмаз переходит в графит. Обратное превращение осуществить не удавалось, хотя опыты по искусственному получению алмазов проводились многими учеными. Особого упоминания заслуживают исследования французского изобретателя электрической печи Муассана. Муассан растворял графит в расплавленном железе и подвергал полученную массу быстрому охлаждению. Получавшаяся на поверхности расплава твердая корка сдавливала увеличивавшуюся в объеме внутреннюю массу. Растворяя в кислотах отвердевший сплав, Муассан обнаружил мельчайшие крупинки, напоминавшие по свойствам кристаллики алмаза. Открытие Муассана, опубликованное в 1893 г., произвело необыкновенную сенсацию и принесло ученому мировую известность, оставив в тени имя русского профессора К. Д. Хрущева, независимо от Муассана получившего в том же году те же результаты.

Вскоре однако были опубликованы данные, согласно которым полученные кристаллики следовало считать не алмазами, а карбидами (соединениями углерода с металлом). Первым ученым, усомнившимся в успехе Муассана, был русский минералог П. Н. Чирвинский. Попытки Чирвинского выступить с критикой опытов Муассана на страницах французской научной литературы успеха не имели. Редакция журнала "Бюллетень французского химического общества" не приняла работ Чирвинского, мотивируя это нежеланием огорчать президента общества, которым был... сам Муассан.

"Американцы не могут допустить критики Муассана" - так формулировал ответ Чирвинскому ныо-йорский журнал. И слава Муассана как создателя искусственных алмазов беспрепятственно вошла не только в популярную литературу, но и во многие учебники и справочники по химии. С помощью аппаратуры, создающей необходимые условия для перехода графита в алмаз (давление 100 000 атмосфер, температура 2000°С), американским ученым удалось наладить получение искусственных алмазов до четверти карата.

В отличие от алмаза графит настолько мягок, что даже легкое трение о бумагу оставляет на ней серо-стальной след. К особенностям графита относится его способность гореть в кислороде (около 890°С) при практически совершенной огнестойкости в воздухе. Благодаря исключительной жаропрочности и химической инертности графит используется в реактивных двигателях. Способность чистого графита замедлять движение нейтронов применяется в атомной технике. Графит употребляют также для изготовления карандашей, огнеупорных тиглей для плавки стали, для смазки трущихся частей машин, для электродов электрических печей и т. п.

Древесный уголь, получаемый при нагревании древесины без доступа воздуха, является одной из разновидностей так называемого аморфного углерода. Исследованиями последнего времени установлено, что "аморфный" углерод часто представляет собой мелкокристаллический графит. Замечательной особенностью этого угля является способность осаждать и удерживать на своей поверхности (адсорбировать) различные вещества (газы, растворенные в виде краски и т. п.). Явление адсорбции было открыто в 1785 г. русским академиком Товием Егоровичем Ловицем. Он же указал и на возможность использования этих свойств угля для практических целей, например для очистки затхлой воды на кораблях, уксуса и т. п. В наставлении к морской службе указывалось: "В дальних морских путешествиях с превеликой пользой употребляют уголья для отвращения порчи воды, обжигая бочки изнутри". Оригинальное применение явление адсорбции нашло в Англии, где с помощью угля очищался воздух, подаваемый в здание парламента. Оно расположено на реке Темзе, сильно загрязненной гниющими остатками, которые и отравляют зловонием воздух.

В первую мировую войну явление адсорбции нашло исключительно большое применение в борьбе с боевыми отравляющими веществами - ядовитыми газами или парами (0В).

Инициатива использования боевых отравляющих веществ в качестве оружия массового уничтожения принадлежит германскому империализму. Хлор был впервые применен 22 апреля 1915 г. на Западном фронте недалеко от бельгийского города Ипра против англо-французских войск. Первая атака 0В совершенно лишила боеспособности целую дивизию, оборонявшую атакованный участок. 15 тыс. человек было выведено из строя, из них 5 тыс. навсегда.

Почти через месяц газовая атака была повторена на Восточном фронте против русских войск у местечка Воля Шидловска, в Польше. На участке фронта в 12 км при ветре, дувшем в сторону русских позиций, было выпущено из 12 000 баллонов более 150 т ядовитого газа. Внезапность нападения и полная беззащитность против ядовитого действия газа вызвали массовые и тяжелые поражения. "Газы" в эту ночь вывели из строя целую дивизию. Передовые линии атакованного газами участка, представлявшие собой сплошной лабиринт окопов и ходов сообщения, были завалены трупами и умирающими людьми. Из строя выбыло 9 тыс. человек. От сибирского полка, насчитывавшего более 3 тыс. рослых, на подбор один к одному стрелков, через 20 минут после газовой атаки осталось 140 человек. Таковы были итоги газового нападения на русском фронте.

Начавшаяся химическая война готовила человечеству неисчислимые жертвы и страдания. От этих жертв человечество было предохранено одной из разновидностей "аморфного" углерода - древесным углем.

Профессор, а впоследствии академик Н. Д. Зелинский, выдающийся химик и ученый, изобрел, провел испытания и в июле 1915 г. предложил противогаз, действующий на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через угольный противогаз целиком освобождало воздух от ядовитых примесей и предохраняло солдат, защищенных противогазом, от действия газообразных отравляющих веществ.

Высокая адсорбционная способность угля используется в медицинской практике, где специальные сорта угля в виде порошка, мелких зерен или таблеток (карболен) применяются как универсальное "противоядие" при разнообразных отравлениях (бактерийными токсинами, животными ядами, алкалоидами и др.), а также для дезинфекции кишечника и при некоторых заболеваниях.

Научное название углерода - "карбонеум" - происходит от латинского слова "карбо" - уголь.

Природный углерод состоит из смеси изотопов с атомными весами 12 и 13. Кроме того, в составе углерода присутствует радиоуглерод с атомным весом 14. Этот изотоп непрерывно образуется в атмосфере из азота под действием космических лучей.

Расчеты, проведенные учеными, показали, что ежегодно образуется около 9,8 кг радиоактивного углерода. Радиоактивный углерод образует с кислородом радиоактивный углекислый газ, который вместе с обычным углекислым газом усваивается растениями, а через них попадает в организм животных. Период полураспада радиоактивного углерода составляет 5700 лет.

Постоянством интенсивности потока космических лучей (а оно, как найдено исследователями, сохранилось неизменным на протяжении последних 20 000 лет) определяется и постоянство образования радиоактивного углерода. Отсюда следует, что отношение содержания радиоактивного изотопа углерода к обычному (С14: С12) остается в атмосфере постоянным, по крайней мере в течение последних 20 000 лет. Очевидно постоянным должно быть и содержание радиоактивного и обычного углерода в живых тканях растений, так как обмен веществ с внешней средой совершается непрерывно. Однако со смертью организма обмен веществ прекращается, а распад накопленного в тканях радиоактивного углерода продолжается по-прежнему, вследствие чего содержание радиоактивного углерода должно постепенно уменьшаться. Зная скорость распада радиоактивного изотопа углерода, можно установить время гибели организмов.

Способ измерения времени с помощью радиоактивного изотопа углерода, проверенный на предметах, "возраст" которых был точно известен по другим данным (древесина из египетских гробниц или свай, вбитых в морское дно во времена римских императоров и т. д.), дал очень хорошие результаты.

"Углеродные часы", предложенные американским ученым Либби, нашли применение в различных областях знания (археология, палеонтология, океанография и др.). Сущность метода "углеродных часов" состоит в том, что подлежащий исследованию образец сжигают в герметическом посуде и из образовавшегося углекислого газа выделяют углерод с помощью металлического магния. Образовавшаяся окись магния растворяется в кислоте и вымывается, а оставшийся углерод высушивается и активность его измеряется специальным прибором. "Углеродные часы" дали науке ряд ценных сведений, на основании которых точно установлены такие даты, которые раньше вообще не поддавались определению или определялись весьма предположительно. Так, например, путем определения радиоактивности углерода, выделенного из древесины палубы "Солнечной ладьи", а также из древесины акации, кипариса, и других деревьев, употреблявшихся при сооружении древних гробниц, были установлены даты смерти фараонов Сезотриса III (1800 г. до н. э.), Снефру (2625 г. до н. э.) и др. С помощью радиоактивного углерода установлен "возраст" рисунков бизонов, выполненных на стене пещеры в Ласко (Франция) рукой доисторического художника 15 с лишним тысяч лет назад, определен "возраст" проб воды, взятых из Атлантического океана с глубины трех километров. Ряд других вопросов успешно решен также с помощью "углеродных часов".

Изотопам углерода явно сопутствует "удача". Если углерод-14 стал выполнять роль "часов истории", то углероду-12 Международным соглашением (1960 г.; Монреаль, Канада) поручена роль эталона атомных масс. За единицу относительных атомных масс принята теперь одна двенадцатая часть атомной массы углерода-12. На смену "кислородной" шкале атомных весов с 1960 г. пришла "углеродная", что вносит некоторые изменения, правда незначительные, в числовые значения атомных масс всех элементов.

Обсудить эту статью на нашем форуме >>>

§ 6. УГЛЕРОД-CARBONEUM (С)

Ключевые слова этой страницы: углерод, carboneum.

Скачать zip-архив: 6. Углерод-Carboneum (С) - zip. Скачать mp3: 6. Углерод-Carboneum (С) - mp3.