Углерод — основа всех органических веществ и жизни, элемент № 6. Существует в виде алмаза, графита, угля и других форм. Ниже — карточка и описание.
Углерод (лат. Carboneum, символ C) — элемент с атомным номером 6 и массой 12,011, находится в IV группе второго периода. Электронная конфигурация 1s² 2s² 2p², на внешнем уровне четыре электрона, поэтому углерод четырёхвалентен и проявляет степени окисления от −4 (в метане CH₄) до +4 (в углекислом газе CO₂). Ключевая особенность углерода — способность его атомов соединяться друг с другом в цепи, кольца и разветвлённые структуры почти неограниченной длины. Именно на этом основана вся органическая химия: из соединений углерода состоят белки, жиры, углеводы, нефть, природный газ, пластмассы — и все живые организмы. Углерод — химическая основа жизни на Земле.
Углерод существует в нескольких аллотропных формах (простых веществах из одного элемента, но разного строения): прозрачный сверхтвёрдый алмаз, мягкий слоистый графит (грифель карандаша, электроды, смазка), аморфный уголь и сажа, а также фуллерены, графен и нанотрубки. Разница в свойствах — от разного расположения атомов в решётке. В природе углерод встречается и в виде минералов (карбонаты, например известняк CaCO₃), и в атмосфере в составе CO₂, и в ископаемом топливе. Углекислый газ участвует в фотосинтезе и круговороте углерода, а его накопление в атмосфере связывают с парниковым эффектом. Углерод известен человечеству с древности (уголь, сажа, алмаз). В технике его роль огромна: без углерода нет стали (сплава железа с углеродом), топлива, органического синтеза, углеродных волокон. Соседние по группе элементы — кремний, германий, олово, свинец; о том, как валентность связана со строением атома, читайте в гайде о валентности, а массу углеродсодержащих веществ считайте калькулятором молярной массы.
Его атомы четырёхвалентны и способны прочно соединяться друг с другом в длинные цепи, кольца и разветвления. Это даёт огромное число разнообразных соединений — от метана до белков и ДНК.
Аллотропные модификации: алмаз (сверхтвёрдый и прозрачный), графит (мягкий, слоистый), уголь и сажа (аморфные), а также фуллерены, графен и нанотрубки. Все состоят только из углерода, но различаются строением.
От −4 до +4. Крайние примеры: −4 в метане CH₄, +4 в углекислом газе CO₂ и карбонатах. Промежуточные — например +2 в угарном газе CO.
Строением кристаллической решётки. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями в жёсткий каркас — отсюда твёрдость. В графите атомы образуют слои, которые легко скользят, — отсюда мягкость и электропроводность.
В металлургии (сталь и чугун — сплавы железа с углеродом), как топливо (уголь, нефть, газ), в органическом синтезе и пластмассах, в виде графита и алмаза, углеродного волокна, активированного угля.