Углерод химический элемент, без которого невозможна жизнь на Земле

Что объединяет карандашный стержень, бриллиант в ювелирном магазине, литий-ионный аккумулятор смартфона и молекулу ДНК? Ответ прост: все они содержат углерод. Этот химический элемент удивляет разнообразием своих проявлений. При этом углерод является фундаментальным элементом всей земной жизни, ведь без него не было бы ни органики, ни живых существ. Из этой статьи вы узнаете об истории открытия углерода, его основных свойствах и формах, роли в природе и влиянии на глобальное изменение климата, а также передовых технологиях, в основе которых лежат многочисленные соединения углерода.

История открытия и происхождение названия

Наши далекие предки познакомились с углеродом задолго до появления вида Homo sapiens. Человек прямоходящий (Homo erectus) около 1,5 млн лет назад начал систематически использовать для своих нужд огонь, хотя еще не умел разводить его. В какой-то момент древние гоминиды заметили, что древесный уголь, который по своей сути является концентрированным углеродом, по сравнению с ветками деревьев дольше горит, дает больше тепла и почти не дымит. На стоянке Гешер-Бенот-Яаков, расположенной в Израиле, археологи обнаружили свыше 250 фрагментов древесного угля, созданных около 800 000 лет назад.

Спустя сотни тысяч лет человек разумный не только покорил огненную стихию, но и начал использовать уголь для творчества — древнейшие наскальные рисунки были выполнены обгоревшими палками. Одним из самых ярких примеров творчества палеолита является пещера Шове, которая находится на юге Франции. Примерно 36 000 лет назад люди начали рисовать углем на ее стенах животных, в том числе вымерших: шерстистых носорогов и пещерных львов.

Около 800 года до н. э. люди открыли для себя еще одну форму углерода — алмаз. Жители Древней Индии время от времени находили в россыпях невзрачные мутные «камешки», совершенно непохожие на современные ограненные бриллианты. Несмотря на это, алмазам быстро отыскалось применение. Поначалу они служили талисманами и оберегами, что описывается в древних текстах, например, в трактате «Артхашастра», написанном около IV века до н. э. Затем начали использоваться как наконечники ранних сверл и резцов. В штате Гуджарат на западе Индии были обнаружены бусины из сердолика, агата и яшмы. Анализ микроскопических трещин в их отверстиях показал, что они могли быть оставлены только алмазными сверлами.

Античные мыслители, а впоследствии и средневековые алхимики воспринимали мир через «призму» четырех стихий: огня, воды, земли и воздуха. В их понимании горение было процессом разделения вещества, в ходе которого его покидает некая огненная сущность. Подобные представления воплотились в теории флогистона, оформившейся в самом начале XVIII века на основании трудов немецких ученых Иоганна Иоахима Бехера и Георга Эрнста Шталя. Сторонники теории, коих было немало, считали, что раз уголь сгорает почти полностью, оставляя лишь немного золы, значит, он представляет собой практически чистый флогистон.

Конец заблуждениям положил великий французский химик Антуан Лавуазье. В 1772 году он вместе с коллегами решил провести весьма дорогостоящий эксперимент. На личные средства ученые приобрели большой алмаз, который поместили в закрытый прозрачный сосуд и сфокусировали на нем солнечные лучи с помощью линзы. В результате алмаз полностью сгорел, оставив после себя большой объем «связанного воздуха» (прим. ред.: так в те времена называли углекислый газ). Повторив эксперимент с древесным углем, Лавуазье получил идентичный результат с выделением того же газа.

В 1789 году, уже после открытия кислорода и его роли в реакции горения, Антуан Лавуазье внес в свою «Таблицу простых тел» новый элемент, который назвал «carbone» (прим. ред. от латинского «carbo» — «уголь»). Русскоязычный термин «углерод» появился немного позднее, в начале XIX века. Отечественные химики сталкивались с проблемой перевода и часто использовали в своих статьях такие наименования, как «карбон», «угольное вещество» или даже просторечное «угольник». В 1815 году русский ученый Василий Севергин разрешил противоречие и создал общепринятую номенклатуру, в которой за новым элементом закрепилось название «углерод».

Физические и химические свойства углерода

Углерод имеет поистине «многоликую» природу, то есть может существовать в виде множества веществ, отличающихся по своим свойствам. Некоторые элементы имеют стандартный способ существования в виде простых молекул. Например, кислород (O) и азот (N) соединяются в двухатомные молекулы O₂ и N₂. С углеродом все иначе, и вместо маленьких изолированных соединений его атомы выстраиваются в трехмерные каркасы — кристаллические решетки, которые по своим размерам могут быть поистине гигантскими. Таким образом, кусочек угля или алмаз представляют собой не миллиарды молекул углерода, сцепленных вместе, а одну «супермолекулу», ограниченную лишь размером самого предмета.

Чтобы понять, почему так происходит, нужно понять атомную структуру углерода. В Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева он обозначен буквой C и имеет шестой порядковый номер. В ядре любого атома углерода находится шесть протонов, а количество нейтронов может меняться, и тогда образуются разные изотопы:

• углерод-12 (6 протонов + 6 нейтронов) — самый распространенный изотоп со стабильной структурой;
• углерод-13 (6 протонов + 7 нейтронов) — также стабильный изотоп, но на него приходится лишь 1% от общего количества атомов углерода;
• углерод-14 (6 протонов + 8 нейтронов) — нестабильный радиоактивный изотоп, который встречается в следовых, ничтожно малых количествах.

Однако «сверхспособность» углерода определяют не протоны с нейтронами, а электроны. Всего их шесть, и четыре из них находятся на внешней орбитали. Когда атом находится в спокойном состоянии, два электрона объединяются в пару, а еще два остаются в неспаренном состоянии. Но стоит атому углерода получить немного энергии, как он переходит в возбужденное состояние, и на внешней оболочке оказываются уже четыре неспаренных электрона. Чтобы достичь стабильности, оболочке не хватает еще четырех электронов, и углерод образует четыре химические связи с другими атомами.

Но микромир устроен так, что создать сверхпрочную четверную связь между атомами геометрически невозможно, такая конструкция моментально разрушится. Поэтому атомы углерода образуют связи сразу с несколькими соседями, а те в свою очередь — со следующими. В зависимости от внешних условий это может происходить множеством способов, и тогда образуются разные формы углерода — аллотропные модификации, о которых мы еще поговорим подробнее.

Электроны на внешней орбитали атома углерода также определяют «универсальность» его химических свойств. Он постоянно меняет свою роль в зависимости от вещества, с которым реагирует, и может выступать в качестве восстановителя и окислителя.

• Часто углерод реагирует с сильными неметаллами. Например, при горении угля он соединяется с кислородом. Кислород забирает электроны, то есть окисляет вещество, а углерод их отдает, становясь восстановителем.
• Углерод становится окислителем, когда взаимодействует с веществами, которые удерживают электроны слабее, чем он сам. Это характерно для реакций с водородом (H₂), в результате которых образуется природный газ — метан (CH₄).

Аллотропные формы углерода

Мы уже выяснили, что вместо образования привычных молекул углерод строит разветвленные структуры. Из одних и тех же атомов могут получаться материалы с диаметрально противоположными свойствами. В химии такое явление называют аллотропией, и у углерода она выражена, пожалуй, ярче, чем у любого другого химического элемента. В этом разделе мы сосредоточимся на ключевых аллотропных модификациях углерода, которые образуются в естественных условиях в недрах нашей планеты.

• Алмаз. На глубине от 150 до 200 километров, в мантии Земли, атомы углерода испытывают колоссальное давление в 50 000 атмосфер и находятся при температуре более 1 000 °C. В таких условиях они прижимаются друг к другу все сильнее, выстраиваясь в максимально плотную кристаллическую решетку. Она имеет строгую тетраэдрическую структуру, в которой каждый атом «зажимается» с четырех сторон своими соседями, и из них формируются треугольные пирамиды. Так образуется алмаз — самый твердый минерал на земле, широко востребованный не только в ювелирном деле, но и в промышленности.

• Графит. Основная часть графита формируется в нижних слоях земной коры, на глубине свыше 10 километров. Из-за движения литосферных плит колоссальные пласты осадочных пород, содержащих органические остатки, погружаются вглубь. В результате этого процесса из органики удаляются газы и остается чистый, но хаотично расположенный углерод. По достижении температуры примерно 700 °C и давления в несколько тысяч атмосфер начинается кристаллизация. Атомы углерода выстраиваются в шестиугольные сетки, похожие на пчелиные соты, и «нарастают» слоями. Сами эти слои весьма прочны, но друг с другом они связаны слабо. Когда вы проводите карандашом по бумаге, слои графита отделяются, оставляя следы.
• Аморфный углерод. Бывает так, что атомы углерода не выстраивают в четкую пирамидальную или гексагональную структуру, а располагаются хаотично, случайным образом. Ярким примером такого «беспорядочного» внутреннего строения является ископаемый уголь, а именно — антрацит, который может состоять из аморфного углерода на 97%. Этот древнейший вид угля формировался из органических остатков в природной «печи», где давление было колоссальным, а температура оставалась на умеренных значениях около 450 °C. В результате атомам углерода просто не хватило энергии, чтобы упорядочиться в ровные ряды.

Где встречается углерод в природе

Хотя углерод представляет огромную ценность для жизни и, в частности, для человеческой цивилизации, в природе он распространен не слишком широко. Если рассматривать все оболочки нашей планеты как единое целое, то среди всех существующих элементов на долю углерода приходится 0,15% по количеству атомов и всего около 0,04% по массе. Важно отметить, что почти весь углерод на Земле сосредоточен в ее недрах, в составе соединений. При этом мировой океан, атмосфера и живые организмы в совокупности содержат его микроскопическую долю, буквально в рамках статистической погрешности. А сейчас мы пристальнее посмотрим на каждую земную оболочку и узнаем, насколько широко в них распространен углерод.

• Земная кора. Под землей находится примерно 99,9% общих планетарных «запасов» углерода. Там он преимущественно встречается не в чистом виде, а в составе осадочных пород, таких как известняки и доломиты. В земной коре углерод также заключен в остатки древней биомассы. В частности, он является важнейшим структурным компонентом ископаемого топлива: нефти, газа и угля.
• Атмосфера и гидросфера. В воздухе углерод присутствует в крайне малых количествах, в виде примесей углекислого газа и метана. Отдельного упоминания заслуживает углекислый газ. Несмотря на микроскопическую долю в 0,04%, именно он в значительной степени создает парниковый эффект, согревающий нашу планету, а также растворяется в Мировом океане, обеспечивая фитопланктон и другие организмы питательными веществами.
• Биосфера. Каждый живой организм на Земле, будь то бактерия, человек или синий кит, имеет углеродный «скелет». Все мы состоим из белков, жиров и углеводов, в которых углерод связывает между собой водород, кислород и азот. В организме человека этот элемент составляет порядка 50% сухой массы.

Роль углерода в живых организмах

В мире живой материи углерод играет фундаментальную и совершенно незаменимую роль. Не зря биологи определяют все организмы, когда-либо населявшие нашу планету, как «углеродные формы жизни». В предыдущем разделе мы упомянули о том, что этот элемент функционирует как своеобразный «каркас». Благодаря четырехвалентности он отлично подходит для построения линейных молекулярных цепочек, замкнутых колец и сложных разветвленных структур. Для жизни особую ценность представляют четыре основных класса биомолекул, в которых углерод играет похожую, но не совсем одинаковую роль.

• Белки — это основа, «строительный материал» для всех тканей организма. Кроме того, они ускоряют биохимические реакции, переносят вещества и передают сигналы. Белки состоят из аминокислот, в центре которых располагается атом углерода, и именно к нему присоединяются функциональные группы. Многообразие подобных углеродных соединений определяет трехмерную структуру белка и его способность быть компонентом тканей, ферментом или рецептором.
• Жиры служат источником долговременного хранения энергии, обеспечивают эластичность клеток, придают тканям и органам теплоизоляционную и механическую защиту. Основу большинства жировых молекул составляют линейные цепи из десятков атомов углерода, насыщенных водородом. Поскольку углерод в таких связях максимально восстановлен, их расщепление дает организму колоссальное количество энергии. Кроме того, углеродные цепи формируют гидрофобную часть клеточных мембран, изолируя внутреннюю среду клеток.
• Углеводы также представляют собой источник энергии, но, в отличие от жиров, менее емкий и более доступный. Мономеры углеводов, таких как глюкоза, представляют собой цепочки из нескольких атомов углерода, к которым присоединяются водород и гидроксильные группы (–OH). Углерод здесь выступает не только как «каркас», но и как «хранитель» химической энергии. Клетки расщепляют связи C–H и C–C для получения соединений аденозинтрифосфата (АТФ) — главной энергетической «валюты».
• Нуклеиновые кислоты, а именно ДНК и РНК, отвечают за работу с генетической информацией. ДНК хранит ее и передает по наследству, а РНК берет на себя ее реализацию в ходе сборки белков и множества других процессов. Нуклеиновые кислоты представляют собой цепочки нуклеотидов, каждый из которых имеет структурную основу в виде пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы или рибозы. Кроме того, углерод входит в состав колец азотистых оснований, последовательность которых определяет генетический код. Углерод обеспечивает соединение оснований с сахарами, распределяет плотность электронов, а также напрямую участвует в регуляции генов, так как входит в состав метильных групп (–CH₃).

Круговорот углерода в природе

На Земле углерод находится в постоянном движении, циклически переходя из неживой природы в живую и обратно. Совокупность этих потоков называют глобальным круговоротом углерода. Работа этой масштабной системы напрямую влияет на существование жизни, стабильность или изменения климата, а также и на экономическое благосостояние человечества. В науке этот масштабный углеродный цикл принято делить на две основные части.

• Биологический (малый) круговорот углерода. Скорость этого цикла может варьироваться от нескольких дней до нескольких сотен лет. Главными «двигателями» процесса здесь выступают живые организмы. Цианобактерии, водоросли и зеленые растения обладают способностью к фотосинтезу. Под воздействием солнечного света они улавливают из воздуха углекислый газ и превращают его в сахара. Так атмосферный углерод переходит в биомассу. Затем по пищевым цепочкам он распространяется среди растительноядных и хищных животных. В процессе клеточного дыхания он окисляется и выбрасывается обратно в атмосферу в виде все тех же молекул CO₂.
• Геологический (большой) круговорот углерода. В этом цикле углерод уходит в «глубокую консервацию», которая длится от десятков тысяч до миллионов лет. Некоторая часть органики — погибшие растения, животные, морские организмы — не успевает разложиться и оседает на дне океанов или под землей. Попадая в специфичные условия высоких давлений и температур, углеродсодержащие соединения формируют осадочные породы и ископаемое топливо. Естественным путем углерод возвращается в атмосферу очень долго — сначала погружается в мантию, а затем выходит во время извержений вулканов. Однако за последние полтора века существенное влияние на скорость геологического круговорота оказало человечество, активно сжигающее углеводороды.

Углерод и изменение климата

В последние десятилетия углерод регулярно появляется в экологических сводках, причем в негативном контексте. Мы постоянно слышим такие термины, как «углеродный след», «декарбонизация» и «парниковый эффект», а также видим публикации климатических моделей, рисующих апокалиптические сценарии для человечества уже не в самом отдаленном будущем. Но давайте все же не будем поддаваться паническим настроениям и попробуем разобраться, почему элемент, подаривший нам жизнь, вдруг стал угрозой для ее существования.

Сам по себе парниковый эффект — это величайшее благо для нашей планеты. Без парникового эффекта средняя температура на Земле составила бы экстремальные -18 °C вместо современных вполне комфортных +15 °C.

По большей части парниковый эффект обеспечивает водяной пар, но его объем в воздухе непостоянен и напрямую зависит от температуры. Углекислый газ же играет роль «регулятора» этой системы. Он может удерживаться в воздухе столетиями, пропуская солнечные лучи к поверхности нашей планеты, но удерживая исходящее от нее тепловое излучение. 

На протяжении последних 10 000 лет концентрация CO₂ в атмосфере оставалась достаточно стабильной — около 0,028% или 280 ppm (частей на миллион). В климатологии за точку отсчета антропогенных изменений климата берут Промышленную революцию, произошедшую в середине XVIII века и ставшую рубежом между доиндустриальной и индустриальной эпохами. По мере того как люди начали все чаще раскапывать подземные резервуары, сжигать уголь, нефть и газ, уровень углекислого газа начал повышаться беспрецедентными для всей истории Земли темпами. В наши дни его концентрация составляет около 425 ppm, то есть прирост относительно доиндустриальной эпохи уже преодолел отметку в 50%.

В мировых медиа встречаются самые разные мнения по вопросу углеродного следа. Однако в научном сообществе достигнут практически полный консенсус: углеродный баланс был нарушен, нарушен именно человеком, и это несет определенные риски. А вот конкретные последствия стремительного роста концентрации CO₂ являются предметом дискуссий. Мы с вами рассмотрим два ключевых фактора дестабилизации климата на Земле.

• Глобальное потепление. В современную эпоху средняя температура на планете растет примерно на 0,2 °C за десятилетие. Кажется, что прирост невелик, но потепление происходит неравномерно — быстрее всего нагреваются полюса и континентальные зоны. Таяние ледников приводит к росту уровня океана, что повышает риск затопления населенных участков суши. Плодородные регионы, такие как Черноземье или Центральная Азия, сталкиваются с изменением режима осадков и масштабным иссушением почв. Важно отметить, что потепление влечет за собой колоссальный приток энергии в атмосферу, что напрямую влияет на ее циркуляцию. В одних регионах периоды жары становятся дольше, вызывая перегрузку энергосетей и усиление лесных пожаров. В других — скапливается слишком много влаги, и образуются разрушительные штормы.
• Закисление океана. Океан поглощает из атмосферы около четверти излишков углекислого газа. С одной стороны, этот процесс замедляет парниковый эффект, с другой — страдать приходится обитателям морских глубин. Реакция растворения углекислого газа в воде приводит к образованию угольной кислоты (H₂CO₃). Изменение химии воды бьет по планктону, кораллам, моллюскам и крабам. Для построения скелетов или раковин им необходим карбонат кальция (CaCO₃), количество которого в кислой среде резко снижается. Нарушение океанических экосистем может повлечь далеко идущие последствия, так как фитопланктон служит фундаментом для пищевых цепочек, коралловые рифы препятствуют эрозии прибрежных зон, а экономика многих стран напрямую зависит от рыбного промысла.

Чтобы остановить опасные процессы, ведущие ученые и инженеры ищут способы нормализовать нарушенный баланс. Ключевое значение в этом вопросе имеет концепция углеродной нейтральности — ее суть в том, что люди не должны выбрасывать углерода больше, чем может поглотить природа. Переход на возобновляемые источники энергии предполагает отсутствие выбросов CO₂ в процессе ее выработки. Но у этих технологий есть и слабые места: солнце светит не всегда, ветер стихает, некоторые промышленные отрасли физически не могут перейти на «зеленые технологии», а для их создания требуются редкоземельные металлы, добыча которых также вредит экологии. И все же развитие систем улавливания углерода, а также поиск альтернативных экологических решений дают человечеству шанс на нормализацию климата.

Как получают углерод

Учитывая ту самую «многоликость» углерода, мы можем сказать, что единого способа его получения не существует. Древнейшим среди них является пиролиз — термическое разложение органического вещества в бескислородной среде. Когда древесину нагревают в замкнутом пространстве, она теряет летучие вещества и остается лишь аморфный углерод в виде древесного угля. Ископаемый уголь и графит добывают традиционными способами, с помощью разработки карьеров и шахт. А природные алмазы извлекают из кимберлитовых трубок — древних тоннелей, по которым мантийное вещество перемещалось ближе к поверхности.

Если в прошлом углерод рассматривался скорее как доступный источник энергии, то в современном мире фокус все больше смещается на его глубокую переработку и синтез материалов с уникальными свойствами. Высокие технологии позволяют манипулировать углеродом на атомном уровне, создавая его новые аллотропные модификации. Мы с вами поговорим о четырех таких формах.

• Искусственные алмазы. Синтетические алмазы по структуре и свойствам ничем не отличаются от природных — это все тот же кристаллический углерод. Создают их двумя основными методами. В одном случае ученые используют графит, который помещают в огромные прессы и нагревают до сверхвысоких температур, по сути, воссоздавая условия в земной мантии. В другом методе исходными материалами служат метан и водород. В вакуумной камере смесь газов нагревают до состояния раскаленной плазмы, что приводит к разрушению молекул. А освободившийся углерод послойно оседает на подложку с алмазной затравкой.
• Графен. Графен по своей структуре похож на графит — атомы углерода также собираются в плоские правильные шестиугольники. Уникальность материала заключается в том, что он имеет минимально возможную толщину — всего в один атом, — но при этом обладает невероятной прочностью, электропроводностью и оптической прозрачностью. Впервые графен получили в 2004 году довольно забавным способом, отделяя слои графита обычной клейкой лентой. Однако этот метод позволяет получить лишь небольшое количество материала, недостаточное для промышленных нужд. Чаще всего графен, как и искусственные алмазы, синтезируют с помощью осаждения из газовой фазы, но используют определенную металлическую подложку — из меди (Cu) или никеля (Ni).

• Нанотрубки. Углеродные нанотрубки можно упрощенно представить как свернутые листы графена. Они представляют собой полые цилиндрические структуры, созданные из шестиугольных сеток атомов углерода. При этом они могут состоять из одного слоя или нескольких, вложенных друг в друга по принципу матрешки. Нанотрубки демонстрируют феноменальную прочность на растяжение и в зависимости от своей структуры могут служить как проводниками, так и полупроводниками. Помимо уже известного нам химического осаждения, их синтезируют методом электродугового разряда. Между двумя графитовыми электродами в гелиевой среде зажигают мощную электрическую дугу, в результате чего графит испаряется, а затем конденсируется на охлаждаемом катоде.
• Фуллерены. В отличие от абсолютного большинства аллотропных модификаций, фуллерены представляют собой молекулярную форму углерода, то есть состоят из ограниченного числа его атомов. Самый стабильный фуллерен состоит из 60 атомов углерода и обозначается как C₆₀. По структуре он представляет собой усеченный икосаэдр — сложную фигуру из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, собранных в замкнутую «сферу». Фуллерены обладают сверхвысокой химической емкостью — они легко присоединяют к себе электроны и работают как мощнейшие антиоксиданты или катализаторы. В основном их получают электродуговым методом, но иногда также прибегают к контролируемому сжиганию бензола или метана при низком давлении и с дефицитом кислорода.

Применение углерода в промышленности и современных технологиях

Теперь, когда мы знаем о многообразии искусственных форм углерода, осталось ответить на один интригующий вопрос: что человечество делает со всеми этими уникальными материалами? В современном мире углеродные аллотропы перестают быть лабораторными диковинками и все более активно проникают в сферы микроэлектроники, космонавтики, энергетики и медицины. В заключение мы еще раз вернемся к описанным ранее «суперматериалам» и узнаем, какую пользу они приносят прямо сейчас.

• Искусственные алмазы. Синтетические кристаллики востребованы в промышленности гораздо сильнее, чем в ювелирных магазинах. Алмазные компоненты устанавливают на буровые коронки, циркулярные пилы и хирургические скальпели, существенно повышая их эффективность. Также они находят применение в мощных компьютерах, где кремниевые микросхемы работают на пределе возможностей и зачастую перегреваются. Кроме того, оптически чистейшие искусственные алмазы идут на изготовление линз для лазерных установок.
• Графен. «Двумерный» одноатомный материал открывает широкие перспективы сразу в нескольких сферах. Графеновые аккумуляторы превосходят литий-ионные по нескольким показателям: они весят меньше при идентичной емкости, заряжаются за считанные минуты и служат дольше. Мембраны на основе графена работают как идеальные фильтры для воды, задерживая любые примеси, в том числе соли и промышленные отходы. Также с помощью графена создают «пластичную» электронику, например, гнущиеся смартфоны или телевизоры, которые можно свернуть в рулон.
• Нанотрубки. Свернутые в цилиндры графеновые сетки рассматриваются как перспективный армирующий материал. Композитные материалы на основе нанотрубок используются для создания корпусов космических ракет, самолетов и гоночных болидов — это позволяет снизить их вес и, как следствие, сэкономить много топлива. В отдаленной перспективе их рассматривают как материал для создания космического лифта — гипотетического троса, по которому подъемные механизмы смогут доставлять на орбиту людей и грузы. Углеродные нанотрубки также могут произвести переворот в энергетике. Созданные на их основе портативные генераторы способны улавливать разницу температур, например, между теплом тела человека и окружающим воздухом, и превращать этот перепад в электричество.
• Фуллерены. Сложные углеродные структуры, похожие на микроскопические футбольные мячи, нашли свою основную нишу в нанотехнологичной медицине. Внутри их замкнутого пространства размещают токсичный препарат, например, против рака, который направляется непосредственно в пораженную область и не вредит окружающим здоровым клеткам. Кроме того, антиоксидантные свойства фуллеренов становятся востребованы в сфере косметологии, а именно — омоложения. Они улавливают свободные радикалы в коже эффективнее многих традиционных препаратов, что открывает новые подходы в антивозрастной терапии.

Интересные факты об углероде

• В верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей постоянно образуются нестабильные радиоактивные изотопы углерода-14. Многие из них соединяются с кислородом и превращаются в углекислый газ, который поглощают растения и передают дальше по пищевым цепочкам. Пока организм жив, доля углерода-14 в его теле всегда равна доле этого изотопа в атмосфере. Но после смерти радиоактивный элемент перестает проникать в ткани, и его количество сокращается вдвое каждые 5 730 лет. Таким образом, по количеству углерода-14 ученые могут определять возраст древних органических остатков: костей, древесины, тканей.
• Теоретические модели и лабораторные эксперименты показывают, что на Уране и Нептуне — ледяных гигантах Солнечной системы, идут «алмазные дожди». В верхних слоях атмосфер обеих планет содержится много метана. Но на глубине порядка 8 000 километров под облаками невероятное давление и жар буквально разрывают эти молекулы, высвобождая углерод. Прямо в полете атомы углерода спрессовываются так сильно, что перестраиваются в уже знакомую нам плотную кристаллическую решетку, и продолжают движение к ядрам планет уже как алмазы.
• Форма молекулы фуллерена была открыта благодаря геодезическим куполам американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, в честь которого и был назван этот удивительный аллотроп. В 1985 году британский химик Харольд Крото вместе с коллегами проводил опыты с графитом и обнаружил очень стабильный кластер из 60 атомов углерода. Ученым удалось установить, что структура является замкнутой и симметричной, но они никак не могли вычислить местоположение атомов в пространстве. Тогда Крото вспомнил, как посещал выставку, главным павильоном которой был огромный сетчатый купол, построенный Фуллером. Перенеся архитектурную форму на бумагу, ученые смогли воссоздать форму молекулы в виде усеченного икосаэдра. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года.

Углерод в вопросах и ответах

1. Что такое углерод?

Это химический элемент, имеющий шестой порядковый номер в таблице Менделеева, способный принимать самые разные физические формы.

2. Почему углерод считается основой жизни?

Углерод способен образовывать прочные связи с четырьмя соседними атомами. Поэтому он идеально подошел на роль структурного каркаса биологических молекул, образующих длинные цепи или кольца.

3. Где встречается углерод в природе?

Углерод встречается в атмосфере в составе углекислого газа, в земной коре в составе осадочных пород и ископаемого топлива, а также во всех живых организмах в составе их биомолекул.

4. Какие существуют формы углерода?

Основными природными формами являются алмаз, графит и аморфный углерод, а в лабораториях синтезируются высокотехнологичные материалы, такие как искусственные алмазы, графен, углеродные нанотрубки и фуллерены.

5. Чем алмаз отличается от графита?

Алмаз отличается от графита внутренней геометрией: в нем атомы жестко спрессованы в правильные треугольные пирамиды, а в графите они располагаются слоями-сетками, плохо связанными друг с другом.

6. Что такое графен и почему его считают материалом будущего?

Графен — это углеродный материал толщиной всего в один атом. Он очень прочен и одновременно пластичен, а также превосходно проводит электричество и тепло, а потому находит применение в передовых технологиях микроэлектроники.

7. Что такое фуллерены?

Фуллерены — это полые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода и напоминающие по форме футбольные мячи. В медицине их используют как контейнеры для доставки лекарств в целевые клетки, а в косметологии — для омоложения кожи.

8. Как углерод участвует в круговороте веществ?

Растения получают углерод из воздуха, превращая в биомассу, после чего он переходит к животным и возвращается в атмосферу во время дыхания и разложения органики. Также углерод накапливается в осадочных породах и спустя много лет выходит на поверхность при извержениях вулканов.

9. Почему углекислый газ важен для жизни растений?

Растениям углерод необходим для фотосинтеза. Они поглощают атмосферный углекислый газ, углерод используют как питательное вещество, а кислород выбрасывают в атмосферу как побочный продукт.

10. Как углерод связан с изменением климата?

Сжигая уголь, нефть и газ, человечество выбрасывает углекислый газ в атмосферу, и его концентрация растет очень высокими темпами. Это приводит к усилению парникового эффекта, глобальному потеплению и закислению океанов.

11. Где применяется углерод в промышленности?

В промышленности углерод применяется при сжигании топлива, выплавке металлов, создании аккумуляторов, карандашей и алмазных элементов режущих инструментов.

12. Почему алмаз и графит состоят из одного и того же элемента?

Потому что ядра их атомов и связанные с ними электроны абсолютно идентичны. Разница заключается лишь в пространственном расположении атомов друг относительно друга.

13. Какие свойства делают углерод уникальным?

Четырехвалентность и термодинамическая стабильность позволяют углероду строить огромное количество разнообразных химических соединений.

14. Какую роль углерод играет в организме человека?

Углерод составляет около 50% сухой массы нашего тела, являясь неотъемлемым компонентом ДНК, РНК, белков, жиров и углеводов.

15. Почему без углерода жизнь на Земле была бы невозможна?

Считается, что ни один другой элемент, кроме углерода, не может создавать настолько сложные, разветвленные и одновременно устойчивые молекулярные конструкции, которые легли в основу всей живой материи.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Magnific

• #Полезные ископаемые