Соединения бора были известны еще арабским алхимикам. В сочинениях легендарного Джабир-ибн-Хайяна, жившего около 721-815 гг. в Багдаде при известном калифе Гарун-аль-Рашиде, одно из этих соединений обозначалось словом "борак", "борака", что значило "блестеть". Возможно, что так называлось распространенное соединение бора - борная кислота - белое твердое вещество, плоские, чешуевидные кристаллы которого имеют характерный перламутрово-стеклянный блеск. Борную кислоту арабские алхимики получали из Тибета, где с древних времен известны озера, содержащие это вещество.
Из Тибета вывозилось и важнейшее соединение бора, большие, бесцветные и прозрачные кристаллы которого арабы называли бурой. От старинного названия буры - "боракс" произошло в конечном итоге название бора.
Бор - довольно распространенный элемент на Земле. Его в 5 раз больше, чем свинца, и в 250 раз больше, чем серебра. Бора в земной коре содержится 0,0005%. Важнейшие соединения бора встречаются в воде озер Тибета (Китай), Тосканы (Италия), в некоторых горячих источниках, В вулканических местностях Италии борная кислота вместе с водяным паром выделяется из трещин земной коры. В окрестностях гавани Пандермы на побережье Мраморного моря, в Китае, Калифорнии, в Южной Америке находятся большие залежи минералов, содержащих бор.
Соединения бора входят в состав буровых вод нефтеносных месторождений и золы каменных углей. В незначительных количествах бор содержится в растительных (от 0,0001 до 0,1% от веса сухого вещества) и животных организмах.
Несмотря на давнее знакомство человека с химическими соединениями бора, в более или менее чистом виде элемент был получен французскими учеными Гей-Люссаком и Тенаром только в 1808 г. Бор, весьма тугоплавкое вещество (температура плавления 2075°С), известен в виде аморфного зеленовато-бурого порошка или мелких кристаллов, имеющих металлический блеск и по твердости почти не уступающих алмазу.
При обычных условиях бор - исключительно инертное вещество, при высоких температурах он становится активным и легко соединяется с кислородом, хлором, бромом, серой и азотом.
В отличие от своих соединений - буры и борной кислоты, применявшихся в ряде отраслей промышленности (стекольной, керамической, кожевенной, а также в сельском хозяйстве и медицине), бор долгое время не использовался. Лишь сравнительно недавно бор стали применять, в металлургии. Добавленный в сотых долях процента в сплавы алюминия, меди, никеля и др., бор значительно улучшает качества этих сплавов.
Прибавка небольших количеств бора в быстрорежущую сталь значительно повышает ее режущие свойства, что объясняется способностью бора давать при высоких температурах соединения с другим металлами (так называемые бориды,) обладающие большой твердостью и устойчивостью. Бор, как и бериллий, используется для повышения износоустойчивости поверхности стальных деталей. Насыщение поверхности стальных изделий бором (борирование) повышает устойчивость изделия к износу во много раз.
Сравнительно малая при обычной температур электропроводность бора повышается более чем сто раз при нагревании до 600°С, что используется технике полупроводниковых материалов.
Хотя запасы бора в природе и огромны (например только в штате Калифорния их оценивают в 100 млн. т), однако 1 кг металлического бора в США стоил 1957 г. 550 долларов, в то время как менее распространенный молибден - всего 6 долларов. Причина подобного противоречия состоит в распыленности соединений бора. Бор необходим для нормального развития растений. При недостатке его замедляется их рост, прекращается цветение и образование плодов. Полное отсутствие бора в почве ведет к гибели растений. Однако избыток этого элемента также неблагоприятно отражается на жизнедеятельности растений, а у животных (овец) является причиной воспаления кишок, известного под именем борного энтерита. Относительно много бора в свекле и брюкве, очень мало 1в зерновых культурах, больше в лесных почвах, чем в подзолистых и торфяных.
Особый интерес вызывают соединения бора с водородом - соединения, обладающие отвратительнейшим запахом и.... высокой теплотворной способностью. При запуске одного американского спутника такое соединение было применено в качестве топлива.
У бора всего два устойчивых изотопа, совершенно сходных по химическим свойствам, но резко отличающихся по некоторым физическим качествам. Так, пластинка толщиной 0,1 мм из бора-10 полностью поглощает тепловые нейтроны; зато такая же пластинка из бора-11 совершенно "прозрачна" и пропускает тепловые нейтроны.
Бор — элемент главной подгруппы третьей группы, второго периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 5. Обозначается символом B (лат. Borium). В свободном состоянии бор — бесцветное, серое или красное кристаллическое либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.
История и происхождение названия
Впервые получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3.
Нахождение в природе
Среднее содержание бора в земной коре 4 г/т. Несмотря на это, известно около 100 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется прежде всего тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом, а группа фторсодержащих соединений совсем малочисленна. Элементарный бор в природе не встречается. Он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях; в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор известен в нефтяных и морских водах (в морской воде 4,6 мг/л), в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.
Основные минеральные формы бора:
Боросиликаты: датолит CaBSiO4OH, данбурит CaB2Si2O8
Бораты: бура Na2B4O7 • 10H2O, ашарит MgBO2(OH), гидроборацит (Ca, Mg)B2O11 • 6H2O, иниоит Ca2B6O11 • 13H2O, калиборит KMg2B11O19 • 9H2O.
Так же различают несколько типов месторождений бора:
1. Месторождения боратов в магнезиальных скарнах:
- людвигитовые и людвигито-магнетитовые руды;
- котоитовые руды в доломитовых мраморах и кальцифирах;
- ашаритовые и ашарито-магнетитовые руды.
2. Месторождения боросиликатов в известковых скарнах (датолитовые и данбуритовые руды);
3. Месторождения боросиликатов в грейзенах, вторичных кварцитах и гидротермальных жилах (турмалиновые концентрации);
4. Вулканогенно-осадочные:
- борные руды, отложенные из продуктов вулканической деятельности;
- переотложенные боратовые руды в озёрных осадках;
- погребённые осадочные боратовые руды.
5. Галогенно-осадочные месторождения:
- месторождения боратов в галогенных осадках;
- месторождения боратов в гипсовой шляпе над соляными куполами.
Физические свойства
Чрезвычайно твёрдое вещество (уступает только алмазу, нитриду углерода, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана). Обладает хрупкостью и полупроводниковыми свойствами (широкозонный полупроводник).
В природе бор находится в виде двух изотопов 10В (20 %) и 11В (80 %).
10В имеет очень высокое сечение поглощения тепловых нейтронов, поэтому 10В в составе борной кислоты применяется в атомных реакторах для регулирования реактивности.
Химические свойства
По многим физическим и химическим свойствам неметалл бор напоминает кремний.
Химически бор довольно инертен и при комнатной температуре взаимодействует только со фтором.
При нагревании бор реагирует с другими галогенами с образованием тригалогенидов, с азотом образует нитрид бора BN, с фосфором — фосфид BP, с углеродом — карбиды различного состава (B4C, B12C3, B13C2). При нагревании в атмосфере кислорода или на воздухе бор сгорает с большим выделением теплоты, образуется оксид B2O3.
С водородом бор напрямую не взаимодействует, хотя известно довольно большое число бороводородов (боранов) различного состава, получаемых при обработке боридов щелочных или щелочноземельных металлов кислотой.
При сильном нагревании бор проявляет восстановительные свойства. Он способен, например, восстановить кремний или фосфор из их оксидов. Данное свойство бора можно объяснить очень высокой прочностью химических связей в оксиде бора B2O3.
При отсутствии окислителей бор устойчив к действию растворов щелочей. В горячей азотной, серной кислотах и в царской водке бор растворяется с образованием борной кислоты Н3ВО3.
Оксид бора B2O3 — типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с образованием борной кислоты.
При взаимодействии борной кислоты со щелочами возникают соли не самой борной кислоты — бораты (содержащие анион BO33-), а тетрабораты.
Биологическая роль
Бор — важный микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности растений. Недостаток бора останавливает их развитие, вызывает у культурных растений различные болезни. В основе этого лежат нарушения окислительных и энергетических процессов в тканях, снижение биосинтеза необходимых веществ. При дефиците бора в почве в сельском хозяйстве применяют борные микроудобрения (борная кислота, бура и другие), повышающие урожай, улучшающие качество продукции и предотвращающие ряд заболеваний растений.
Роль бора в животном организме не выяснена. В мышечной ткани человека содержится (0,33—1)×10-4 % бора, в костной ткани (1,1—3,3)×10-4 %, в крови — 0,13 мг/л. Ежедневно с пищей человек получает 1—3 мг бора. Токсичная доза — 4 г.
Один из редких типов дистрофии роговицы связан с геном, кодирующим белок-транспортер, предположительно регулирующий внутриклеточную концентрацию бора.
"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.
Углеро́д (химический символ — C) — химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы химических элементов, порядковый номер 6, атомная масса природной смеси изотопов 12,0107 г/моль.
История
Углерод в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные модификации углерода — алмаз и графит.
На рубеже XVII—XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Иоганном Бехером и Георгом Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества — невесомого флюида — флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь — это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, — его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и другие, уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Антуаном Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерод» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.
В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2) и большое количество флогистона.
Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.
Происхождение названия
Международное название Carboneum происходит от лат. carbo — уголь. Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare — гореть; корень саг, cal, русское гар, гал, гол, санскритское ста означает кипятить, варить. Со словом «carbo» связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от kohle — уголь (старогерманское kolo, швед. kylla — нагревать). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от др.-греч. αδαμας — несокрушимый, непреклонный, твёрдый, а графит от др.-греч. γράφω — пишу.
В начале XIX века старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор» (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название углерод.
Нахождение в природе
Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %).
В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).
Кругооборот углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО2 в атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др. Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО2 поглощается из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении животных и растительных материалов — в почву и в виде СО2 — в атмосферу.
В парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных метеоритах.
Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.
В природе встречается минерал шунгит,в котором содержится как твердый углерод (≈25%), так и значительные количества оксида кремния (≈35%).
Применение
Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.
Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.
В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).
Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)
Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.
Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.
Источник: Википедия
|
