Фізика і хімія в побуті. Підручник для осіб з особливими освітніми потребами (F70). 10 клас. Тороп

§ 20. Хімічний елемент вуглець

Вуглець (карбон) є основним будівельним інгредієнтом усіх форм життя. Без вуглецю немає життя. Це основний компонент цукрів, вуглеводів, білків, жирів і м’язової тканини. Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів. У всьому є вуглець!

Вуглець — це хімічний елемент, який є одним із найбільш універсальних і розповсюджених елементів на нашій планеті, складаючи близько 0,1 % її маси. Завдяки своїм потужним властивостям вуглець життєво важливий для існування майже всього на Землі.

Завдяки особливій будові вуглецю він може взаємодіяти, змінюватися та утворювати мільйони різних сполук, починаючи від простих і закінчуючи дуже складними.

С — хімічний символ вуглецю. У поєднанні з киснем він може утворювати як вуглекислий газ (СО₂) так і чадний газ (СО) (мал. 112).

Мал. 112. Будова молекул вуглекислого газу (СО₂) та чадного газу (СО)

Про вуглець (карбон) ми знаємо з давніх часів. Зустрічається в рослинному світі і в усіх живих істотах. Щоразу, коли горить вогонь, утворюється чорна сажа, яка є формою вуглецю. Його назва походить від латинського слова яке означає «деревне вугілля». Сьогодні існує багато вуглецевих продуктів, з якими ви можете бути знайомі, зокрема нафта (іншими словами, бензин) і пластмаси.

Усе органічне або живе на Землі складається з вуглецю. Існування ваших органів, клітин і внутрішніх систем залежить від вуглецю. Вуглець має унікальну структуру, яка допомагає йому легко зв’язуватися з іншими атомами та створювати складніші молекули. Вуглець утворює багато речовин, що є його видозмінами. Простої речовини із назвою вуглець не існує.

Де ми можемо зустріти вуглець (карбон):

карбон міститься в рослинах
рослинам потрібен вуглекислий газ, щоб виробляти собі живлення. Вони отримують від нас вуглекислий газ, коли ми видихаємо!
вуглець знаходиться в землі (корисні копалини)
коли багато атомів вуглецю зіштовхуються разом, через тривалий час утворюється алмаз
мертві рослини і тварини утворюють ґрунт. Вуглець, що залишився після багатьох років, використовується для виробництва олії. Нафта використовується для виробництва бензину
вуглець також міститься у ваших олівцях як графіт, який є м’якою формою вуглецю тощо.

Є три основні типи чистого вуглецю, які зустрічаються в природі, і вони складають більшу частину вуглецю, з яким ми взаємодіємо щодня: аморфний вуглець, графіт і алмаз. Єдина хімічна різниця між цими трьома сполуками полягає в розташуванні атомів у кожній з цих речовин.

Алмаз є найвідомішою формою вуглецю, так само, що й вугілля та сажа (мал. 113). Єдина відмінність між цеглою деревного вугілля та алмазом полягає у внутрішній організації молекул вуглецю. Діаманти є однією з найтвердіших речовин, відомих людині, і їх використовують для свердел спеціального призначення, а також для прикрас.

Мал. 113. Приклад вуглецю — алмаз

Алмаз, завдяки винятковій твердості, є незамінним абразивним матеріалом. Алмазне напилення мають шліфувальні насадки бормашин. Крім цього, ограновані алмази — діаманти — використовуються як дорогоцінне каміння в ювелірних прикрасах. Так склалося історично, що цей рідкісний декоративний дорогоцінний камінь є найдорожчим у світі.

Коли вуглець спалюється, але кисню недостатньо для повного згоряння, утворюється, аморфний вуглець. Аморфний вуглець не має кристалічної структури. На вигляд це чорна або темно-сіра речовина. Вона використовується для створення чорнила та фарб (мал. 114).

Мал. 114. Приклади аморфного вуглецю: сажа, кокс, деревне вугілля

Графіт є одним з найм’якіших матеріалів, відомих людині (мал. 115). Дивно, наскільки він відрізняється від діамантів, враховуючи, що вони обидва виготовлені з чистого вуглецю. Це один із трьох видів вуглецю, який зустрічається в природі, але його також виробляють на заводах. Можливо, ви бачили графіт у своїх олівцях. Це сріблясто-чорний матеріал посередині, який залишає сліди, коли ви пишете. Графіт також є важливим складником у виробництві сталі, одного з найміцніших металів.

Мал. 115. Графіт

Деревне вугілля має здатність адсорбувати (поглинати) на своїй поверхні різні гази та деякі речовини з розчинів. Адсорбція відбувається поверхнею вугілля, тому воно здатне поглинати (адсорбувати) тим більшу кількість речовин, чим більша його сумарна поверхня, тобто чим більше воно подрібнене або пористе. Пористість, а разом з тим і адсорбційна здатність деревного вугілля різко збільшується при попередньому нагріванні в струмені водяної пари. При цьому пори вугілля очищуються від смолистих речовин і його внутрішня поверхня значно збільшується. Таке вугілля називається активованим. Активоване деревне вугілля широко використовують у цукровому виробництві для очистки цукрового сиропу від домішок, що надають йому жовтого забарвлення, у спиртовому виробництві для очистки винного спирту від сивушних олій, у деяких виробництвах для вловлювання парів цінних летких речовин — бензину, ефіру, сірковуглецю, бензолу тощо з наступним видаленням їх при нагріванні.

Графіт широко застосовується для виготовлення електродів, в суміші з глиною — для виробництва вогнетривких тиглів (мал. 116). З графіту роблять звичайні олівці. В суміші з мінеральними оливами його використовують як мастило для машин, що працюють при підвищених температурах.

Мал. 116. Використання графіту: мастило для машин, електроди, графітові тиглі

Графіт використовується для виробництва олівців, але в суміші з глиною для зменшення його м’якості. Його неймовірно висока температура плавлення дозволяє робити з нього тиглі для заливки металів. Здатність графіту проводити електричний струм також дозволяє виготовляти з нього високоякісні електроди.

Окрім багатьох природних джерел вуглецю, також використовується штучно вироблені речовини з вмістом вуглецю. Існує ціла галузь хімії, яка називається органічною хімією, яка вивчає десятки мільйонів різних сполук вуглецю, про які відомо людству.

У фармакології та медицині широко використовуються різні сполуки вуглецю — карболен (активоване вугілля) застосовується для абсорбції та виведення з організму різних токсинів; графіт (у вигляді мазей) — для лікування шкірних захворювань; радіоактивні ізотопи вуглецю — для наукових досліджень (радіовуглецевий аналіз) (мал. 117).

Мал. 117. Використання сполук вуглецю у медицині

Вуглець використовується у виробництві багатьох сучасних продуктів, включаючи чорнила, гуму, сталь, олівці тощо. Штучні сполуки вуглецю використовують для виробництва бензину і пластмас.

Вуглець є основою всіх органічних речовин. Будь-який живий організм складається в значній мірі з вуглецю. Джерелом вуглецю для живих організмів зазвичай є СО₂ з атмосфери або води. У результаті фотосинтезу він потрапляє в біологічні харчові ланцюги, в яких живі істоти поїдають один одного або залишки один одного і тим самим здобувають вуглець для будівництва власного тіла. Біологічний цикл вуглецю закінчується або окисненням і поверненням в атмосферу, або похованням у вигляді вугілля або нафти. Вуглець у вигляді викопного палива: вугілля і вуглеводнів (нафта, природний газ) — одне з найважливіших джерел енергії для людства (мал. 118).

Мал. 118. Вуглець у вигляді викопного палива: деревне вугілля, нафта, природний газ

Викопне паливо зараз живить наш світ енергією. Ми спалюємо це викопне паливо на електростанціях для отримання енергії, а також у наших автомобілях, вантажівках, літаках і човнах.

Під час спалювання викопного палива ми отримуємо здебільшого три речі: тепло, воду та вуглекислий газ (СО₂). Ми також отримуємо деякі тверді форми вуглецю, наприклад, сажу. Увесь вуглець, накопичений у всіх цих рослинах і тваринах протягом сотень мільйонів років, повертається назад у небо. Він піднімається в атмосферу і затримує тепло поблизу Землі. Парниковий ефект не дає нам усім замерзнути, але СО₂ зараз утримує занадто багато тепла, і Земля стає все теплішою і теплішою. У природі вуглець утворює газ, який називається вуглекислим газом. Але коли газу забагато, утримується занадто багато тепла, в результаті чого Земля стає теплішою. Це призводить до глобального потепління та зміни клімату.

У сучасному житті вуглець займає центральне місце в усій діяльності людини. З вуглецем ми можемо будувати будинки, будівлі та міста. Він також використовується для забезпечення більшості галузей промисловості, для вироблення енергії та палива і для виробництва автомобілів, літаків, кораблів тощо.

Вуглець — це дуже важливий для людства елемент.

Конспект учня (запиши в зошит)

ТЕМА. ХІМІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ВУГЛЕЦЬ

С — хімічний символ вуглецю

СО₂ — вуглекислий газ

СО — чадний газ

Простої речовини із назвою вуглець не існує.

Простими речовинами вуглецю (карбону) через його особливі хімічні властивості є:

прозорий, дуже твердий алмаз;
матово-чорний із металевим блиском, м’який графіт;
мікропористе деревне вугілля;
порошкоподібна сажа.

Подумай та дай відповідь

1. Як ви гадаєте, де ми можемо зустріти на Землі вуглець?
2. Яким символом позначається вуглець?
3. Чи існує вуглець у чистому вигляді як окрема речовина? Чим це можна пояснити?
4. Назвіть три основні форми вуглецю.
5. Від чого залежить утворення тієї чи іншої речовини з вуглецю? Наведіть приклади.
6. Спробуйте встановити шляхи кругообігу вуглецю в природі.
7. Поясніть, що спільного у всіх цих предметів?