Сторінка
2

Твердість води. Кругообіг 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 0,77Á, ковалентні радіуси 0,77Á, 0,67Á, 0,60Á відповідно в одинарному, подвійному і потрійному зв'язках; іонної радіус С4- 2,60Á, С4+ 0,20Á. 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. Застосування для біосинтез білка і інших поживних речовин мікроорганізмів, що використовують як єдине джерело карбону, вуглеводороди нафти, - одна з важливих сучасних науково - технічних проблем.

Крім стабільних ізотопів карбону, в природі поширений радіоактивний 14С (в організмі людини його міститься біля 0,1 мккюри). З використанням ізотопів карбону в біологічних і медичних дослідженнях пов'язані багато великих досягнень у вивченні обміну речовин і кругообігу карбону в природі. Так, за допомогою радіокарбоновій мітки була доведена можливість фіксації Н14СО3 рослинами і тканинами тварин, встановлена послідовність реакції фотосинтезу, вивчений обмін амінокислот, прослідилися шляхи біосинтез багатьох біологічно активних сполук і т. д. Застосування 14С сприяло успіхам молекулярної біології у вивченні механізмів біосинтезу білка і передачі спадкової інформації. Визначення питомої активності 14С к органічних залишках, які містять карбон дозволяє судити про їх вік, що використовується в палеонтології і археології.