Колообір та біологічна роль карбону

“Кругообіг  карбону” 
 
 

Карбон (лат. Carboneum), С - хімічний елемент IV групи  періодичної

системи Менделєєва. Відомі два стабільних ізотопи 12 С(98,892 %) і 13С

(1,108%). 

 Карбон  відомий з глибокої старовини.  Деревне вугілля служило для

відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше

стали застосовуватися  графіт для виготовлення олівців.  

У 1778 ДО. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як

і при  нагріванні вугілля з селітрою, виділяється  оксид карбону (IV)

-вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений внаслідок

дослідів  А.Лавуаз’є (1772) по вивчення горіння  алмаза на повітрі і

досліджень  С.Теннанта (1797), що довело, що однакові кількості алмаза і

вугілля дають при окисленні рівні  кількості вуглекислого газу. Карбон як

хімічний  елемент був визнаний тільки в 1789 А.Лавуазье. Латинську назву

сarboneum карбон отримав від сarbo 

Кругообіг та поширення в природі: 

Середній  вміст карбону в земній корі 2,3*10-2 % по масі (1*10 –2 в

ультраосновних, 1*10 –2  в основних, 2*10 –2 в середніх, 3*10 –2 в

кислих  гірських породах).  Карбону нагромаджується  у верхній частині

земної  кори (біосфері): в живій речовині 18 % карбону, в деревині 50 %,

в кам'яному  вугіллі 80 %, в нафті  85 %, антрациті 96 %. Означає частина

карбону літосфери зосереджена у вапняках і доломіті. 

Число власних  мінералів карбону - 112; виключно велике число органічних

сполук  карбону - вуглеводородів і їх похідних. 

З накопиченням карбонуу в земній корі пов'язане  накопичення і багатьох

інших елементів, які осідають у вигляді нерозчинних карбонатів і т.д.  

У порівнянні зі середнім вмістом в земній корі людство у виключно

великих кількостях витягує карбон з надр (вугілля, нафта, природний

газ), так  як ці викопні   основні джерела  енергії. 

Карбон  широко поширений також в космосі; на Сонці він займає 4-е місце

після гідрогену, гелію і оксигену. 

Відомі  чотири кристалічні модифікації  карбрну: графіт, алмаз, карбін і

лонсдейліт. Графіт - сіро-чорна, непрозора, жирна  на дотик, дуже м'яка

маса з  металевим блиском. При кімнатній температурі і нормальному тиску

(0,1 Мн/м2, або 1кгс/см2) графіт термодинамично  стабільний. Алмаз - дуже

тверда, кристалічна  речовина. Кристали мають кубічні  межацентрировані

ґрати: а=3,560(. При кімнатній температурі і  нормальному тиску алмаз

метастабільний. Помітне перетворення алмаза в графіт спостерігається при

температурах  вище за 1400(С у вакуумі або в  інертній атмосфері. При

атмосферному  тиску і температурі біля 3700(С  графіт переганяється.

Рідкий  карбон може бути отриманий при тиску вище за 10,5 Мн/м2 (1051

кгс/см2) і  температурах вище за 3700(З. Для твердого вуглеводу (кокс,

сажа, деревне  вугілля) характерно також стан з  неврегульованою

структурою  “аморфний" вуглевод, який не являє  собою самостійної

модифікації; в основі його будови лежить структура мелкокристаллического

графіту. Нагрівання деяких різновидів “аморфного" вуглеводу вище за

1500-1600(З  без доступу повітря викликає  їх перетворення в графіт.

Фізичні властивості “аморфний" вуглеводу  дуже сильно залежать від

дисперсність часток і наявності домішок. Щільність, теплоємність,

теплопровідність  і електропровідність “аморфний" вуглеводу завжди вище,

ніж графіту. Карбин отриманий штучно. Він являє  собою

мелкокристаллический  порошок чорного кольору (щільність 1,9 - 2 г/см3).

Побудований з довгих ланцюжків атомів С, укладених паралельно один

одному. Лонсдейліт знайдений в метеоритах і отриманий  штучно; його

структура і властивості остаточно не встановлені. 

Конфігурація  зовнішньої оболонки атома карбону  2s22p2 . Для карбону

характерне утворення чотирьох ковалентних зв'язків, зумовлене збудження

зовнішньої  електронної оболонки до стану 2sp3 . Тому карбон здатний в

рівній  мірі як притягати, так і віддавати  електрони. Хімічний зв'язок

може здійснюватися  за рахунок sp3-, sp2- і sp- гібридних орбіталей, яким

відповідають  координаційні числа 4,3 і 2. Число  валентних електронів

карбону і число валентних орбіталей  однаково; це одна з причин стійкості

зв'язку між  атомами карбону. 

Унікальна здатність атомів карбону сполучатися  між собою з утворенням

міцних  і довгих ланцюгів і циклів призвела до виникнення величезного

числа різноманітних  з'єднань карбону, що вивчаються органічною хімією. 

У сполуках карбон проявляє ступені окислення -4; +2; +4. Атомний радіус

0,77(, ковалентні  радіуси 0,77(, 0,67(, 0,60( відповідно в одинарному,

подвійному  і потрійному зв'язках; іонної радіус С4- 2,60(, С4+ 0,20(.

При звичайних  умовах карбон хімічно інертний, при  високих температурах

він сполучається з багатьма елементами, виявляючи  сильні відновні

властивості. 

Всі форми  карбону стійкі до лугів і кислот і повільно окислюються тільки

дуже сильними окислювачами (хромова суміш, суміш  концентриров. HNO3 і

KCIO3 і інш.). “Аморфний" карбон реагує з  фтором при кімнатній

температурі, графіт і алмаз - при нагріванні. Безпосередньо сполука 

карбону з хлором відбувається в електричній  дузі; з бромом і йодом

карбон  не реагує, тому численні карбону галогеніди синтезують непрямим

шляхом. З  оксигалогенидів загальної формули COX2 (де Х - галоген)

найбільш  відома хлорокис COCI2 (фосген). 

При температурах вище за 1000(С карбон взаємодіє з  багатьма металами,

даючи  карбіди. Всі форми карбону при  нагріванні відновлюють оксиди

металів з утворенням вільних металів (Zn, Cd, Cu, Pb і інш.) або

карбідів (CaC2, Mo2C, WC, TaC і інш.).  Карбон реагує при температурах

вище за 600 - 800(С з водяною парою і  оксидои карбону (IV) - вуглекислим

газом 

Всі форми  карбону нерозчинні в звичайних  неорганічних і органічних

розчинниках, але розчиняються в деяких розплавлених металах (наприклад,

Fe, Ni, Co). 

   Карбон  визначається тим, що понад  90 % всіх первинних джерел

споживаної  в світі енергії припадає на органічне  паливо, очолююча роль

якого збережеться  і на найближчі десятиріччя, незважаючи на інтенсивний

розвиток  ядерної енергетики. Тільки біля 10% палива, що добувається

використовується  як сировина для основного органічного  синтезу і

нафтохімічного  синтезу, для отримання пластичної маси і інш.

Карбон - найважливіший біогенний елемент, що складає основу життя на

Землі, структурна одиниця величезного числа органічних сполук, що беруть

участь  в побудові організмів і забезпеченні їх життєдіяльності

(біополімери,  а також численні низькомолекулярні  біологічно активні

речовини - вітаміни, гормони, медіатори і інш.). Значну частину

необхідної  організмам енергії утвориться в  клітках за рахунок окислення

карбону. Виникнення життя на Землі розглядається  в сучасній науці як

складний  процес еволюції карбонних сполук.  

Унікальна роль карбону в живій природі  зумовлена його властивостями,

якими в  сукупності не володіє жоден інший  елемент періодичної системи.

Між атомами  карбону, а також між карбоном і іншими елементами утворяться

міцні хімічні  зв'язки, які, однак, можуть бути розірвані  в порівняно

м'яких фізіологічних умовах (ці зв'язки можуть бути одинарними,

подвійними  і потрійними). Здатність карбону  утворювати 4 рівнозначні

валентні  зв'язки з іншими атомами. Карбон створює  можливість для

побудови  вуглецевих скелетів різних типів - лінійних, розгалужених,

циклічних. Показово, що усього три елементи - С, О, Н - становлять 98 %

загальної маси живих організмів. Цим досягається  певна економічність в

живій природі: при практично безмежній структурній  різноманітності

карбонних сполук невелике число типів хімічних зв'язків дозволяє на

багато  скоротити кількість ферментів, необхідних для розщеплення і

синтезу органічних речовин. Особливості будови атома карбону лежить в

основі  різних видів ізомерії органічних сполук (здатність до оптичної

ізомерії  виявилася такою, що вирішує в біохімічній еволюції амінокислот,

вуглеводів  і деяких алкалоїдів). 

    Згідно з гіпотезою А. І.  Опаріна,  перші органічні сполуки  на Землі

мали абіогенне  походження. Джерелами карбону служили (СН4)і ціанистий

гідроген (HCN), що містилися в первинній  атмосфері Землі. З виникненням

життя єдиним джерелом неорганічного карбону, за рахунок якого утвориться

вся органічна  речовина біосфери, є карбону двоокис (СО2), що знаходиться

в атмосфері, а також розчинений в природних  водах у вигляді НСО3 .

Найбільш  могутній механізм засвоєння (асиміляція) карбону (в формі СО2)

- фотосинтез - здійснюється повсюдно зеленими  рослинами. На Землі існує

і еволюційне більш древній спосіб засвоєння  СО2 шляхом хемосинтезу; в

цьому випадку  мікроорганізми - хемосинтетики використовують не

променисту  енергію Сонця, а енергію окислення  неорганічних сполук.

Більшість тварин споживають карбон з їжею у  вигляді вже готових

органічних  сполук. У залежності від способу  засвоєння органічних сполук

прийнято  розрізнювати автотрофні організми  і гетеротрофні організми.