Углерод представляет собой один из самых распространенных химических элементов на Земле и по своей массе уступает только кислороду. Жизнь на Земле обязана своим существованием углероду, поскольку она является химической основой для всего живого на этой планете. Из-за четырех валентных электронов молекулы углерода связываются с кислородом, водородом и азотом. Углерод также связывается с фосфором и серой, образуя биохимические строительные блоки, которые включают жиры, белки и углеводы. Без углерода люди не существовали бы в том виде, в котором они существуют сегодня.

Несколько физических форм

Как аллотропный биохимический элемент, углерод существует в нескольких физических формах, хотя они химически похожи. Углерод существует в виде графита, алмаза или углеродных остатков, оставшихся позади, когда соединения на основе углерода испытали тепло и давление. Графит, который существует в виде листовой структуры, является мягким и проводит электричество. Алмаз, напротив, чрезвычайно твердый, не проводит электричество и инертен. Углеродный остаток включает в себя уголь, древесный уголь и другие вещества, которые люди используют для производства энергии.

Структура атома углерода

Стабильный атом углерода обладает шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами, в результате чего атомная масса составляет 12,011, и занимает шестую позицию в Периодической таблице элементов. Четыре его электрона находятся во внешней оболочке атома, а два других существуют во внутренней оболочке. Твердотельные молекулы, состоящие только из связанных атомов углерода, образуют тетраэдрические или гексагональные формы, в зависимости от физического состояния вещества.

Химические свойства

Углерод сгорает в кислороде, образуя углекислый газ и угарный газ. Углерод также может образовывать карбиды при нагревании с оксидами. Например, оксид кальция, нагретый с помощью углерода, образует карбид кальция и оксид углерода. Кроме того, соединения углерода, такие как окись углерода, действуют как восстановители до оксидов металлов. Например, подача экстремального тепла от источника, такого как печь, к оксиду железа в среде оксида углерода приводит к уменьшению оксида железа до железа.

Цепи углерода

Углерод может образовывать цепочки углерода в одинарных, двойных и тройных связях с другими атомами углерода. Этот процесс, называемый катенацией, является основой для создания органических соединений и изучения органической химии. Хотя другие элементы, такие как кремний или германий, способны к ограниченному сцеплению, углерод также может образовывать цепи неограниченного размера. Кроме того, только углерод может катенировать двойные и тройные связи, тогда как другие элементы могут образовывать только одинарные связи.