Лекарственные растения и травы

Меню сайта

Углерод, его химическое и биологическое значение. Углерод в растениях


Углерод, водород, кислород и азот в жизни растений

Углерод входит в состав всех органических соединений в растениях: белка, углеводов, жира, органических кислот, витаминов и др. Углерод поступает в растение из воздуха в виде углекислого газа С02, проникая через устьица листьев. В зеленых листьях в процессе фотосинтеза из угольной кислоты и воды образуются углеводы, а также другие органические вещества, белки, органические кислоты в зависимости от условий, при которых происходит фотосинтез. Количество углекислого газа в воздухе в среднем составляет около 0,03% (по объему). В метровом слое воздуха над поверхностью земли на площади в один гектар его содержится около 5—6 кг.

Увеличить количество углекислого газа можно путем применения органических удобрении (25 % от веса органических удобрений приходится на образующийся из них углекислый газ). Из 20-30 т/га навоза получается 5-7 тыс. кг углекислого газа. С повышением содержания углекислого газа в воздухе (до 0,04-0,05%) значительно усиливается его ассимиляция растениями. При содер­жании углекислого газа в воздухе ниже 0,01 фотосинтез прекращается.

Применение «меченого» (радиоактивного) углерода показало, что небольшое количество (1-5% от общего количества ассимилированного растением углерода) составляет углерод, поступивший через корни из почвенных карбонатов. Количество углекислого газа в воздухе пахотного слоя достигает 0,3%, а с углублением увеличивается до 1,5 %.

Водород и кислород поступают в растение в виде во­ды. Кроме того, растение получает кислород из воздуха в процессе дыхания. Кислород и водород, содержащиеся в растении, участвуют в его окислительно-восстанови­тельных процессах.

Азот в растениях входит в состав белков, хлорофилла, аминокислот, амидов, алкалоидов и других веществ. По­ступает азот в растение главным образом в виде минеральных соединений: нитратов и аммонийных солеи (аниона N03 и катиона Nh5). В небольшом количестве азот может поступать в растение в виде солеи азотистой кислоты — нитритов (аниона N02), а также растворимых в воде простейших амидов и аминокислот. Потреб­ность в азоте у растений особенно велика в период уч­тенного развития листовой поверхности, т. е. в первый период роста растений. Нормальное азотное питание обеспечивает высокую ассимиляционную способность растения, что важно для образования необходимых функций роста растений.

dendromir.ru

Поступление диоксида углерода в растение

Газообмен у растений происходит путем диффузии, и на пути от атмосферного воздуха до хлоропластов С02 преодолевает ряд препятствий, составляющих диффузное сопротивление. Кроме константы диффузии сюда относятся сопротивление на поверхности раздела фаз, длина пути диффузии и его поперечное сечение. В целом сопротивление транспорту С02 создают: сопротивление пограничного слоя (воздушной пленки около листа), физиологически регулируемое устьичное сопротивление, диффузное сопротивление в системе межклетников, сопротивление при растворении и транспорте СО; в жидкой фазе клеточной стенки и в цитоплазме, а также сопротивление в процессе карбоксил ирования.

Сначала тормозить диффузию может пограничный слой между листом и окружающим воздухом. Толщина его зависит от величины и расположения листьев, их опушенности и силы ветра. В безветренную погоду он имеет толщину в несколько миллиметров, л сильный ветер полностью его сдувает. Густое и высокое опушс ние увеличивает пограничный слой, поэтому С02 быстрее пере ходит в лист, чем притекает извне, и воздушная оболочка вокру| листа становится беднее С02 Но в целом сопротивление norp;i ничного слоя ниже, чем последующие устьичное и мезофиллы юс сопротивление.

У наземных растений С02 проникает в лист через устьица. Ус тьичное сопротивление — главное препятствие для свободного поступления диоксида углерода в растение. Закрытые устьица

практически полностью перекрывают поток С02 При недостатке спета, когда устьичные щели суживаются, устьичное сопротивление становится фактором, ограничивающим диффузию С02. Но при широко раскрытых устьицах это сопротивление ниже сопротивления мезофилла. Изменяя ширину устьичных щелей, растение контролирует поступление С02 и одновременно потерю воды. Количество, распределение, размеры, форма, подвижность устьиц видоспецифичны, но в некоторой степени зависят от условий местообитаний и индивидуальных особенностей растений. Для поступления С02 в растение решающее значение имеет площадь отверстий устьиц. С ее уменьшением устьичное сопротивление диффузии экспоненциально возрастает. Суммарная площадь устьичных щелей, или относительная площадь пор, определяется умножением густоты расположения устьиц (числа устьиц на 1 мм2 листовой поверхности) на максимальную площадь устьичной щели. У большинства растений отверстия устьиц занимают 0,5—1,5% поверхности листа. Из-за слабой открытости минимальная площадь устьичных щелей отмечена у листьев вечнозеленых жестко- шегных растений в засушливом маквисе и кустарничковых пустошах.

Максимальная диффузия газов в лист достигается при максимальном открытии устьиц, которое зависит от формы замыкающих клеток и особенностей строения их стенок. Степень открытости устьиц зависит также от состояния растения и внешней среды. Из экологических факторов наиболее значимы свет, температура, влажность воздуха и водообеспе- чсипость. Из внутренних факторов сильнее всего на поступление диоксида углерода влияют парциальное давление в межклетниках, гидратации растения, баланс ионов и фитогормонов. На состояние устьиц влито г также возраст листьев, стадия развития растения и эндогенные су- гочпые ритмы. При хорошем водоснабжении устьица открываются тем шире, чем интенсивнее освещение (фотоактивное открывание). Так, при снижении его содержания ниже критического уровня они Открываются и в темноте. Решающее влияние концентрации С02 на от ьрытость устьиц прослеживается у суккулентов с САМ-фотосинтезом. Vi ром, когда при расщеплении малата в межклетниках накапливается их устьица хемоактивно закрываются, а ночью, когда С02 активно расходуется на образование органических кислот и ее содержание в межклетниках остается низким, они открыты (см. разд. 6А.2.2). Реакцию м II.ни индуцирует и ряд других веществ (S02, озон, сульфат алюминия и ip.). На состояние устьиц воздействуют также токсины паразитов (например, выделения гриба Helminthosporium maydis) и вещества, применяемые для борьбы с ними (например, фунгицид фенилмеркурацетат).

Гемисратура влияет на скорость открывания устьиц через выработку терши для их движения. При более высокой (но неэкстремальной) юмпературе энергии у клетки больше и устьица открываются быстрее модельных растений при невысоких положительных температурах (ниже 5 °С) устьица открываются очень медленно и не полностью, а при отрицательных температурах они остаются закрытыми (B.Jlapxep, 1978). При сверхоптимальных температурах устьица также открываются не полностью, однако у ряда видов в жару (40 — 45 °С) ширина устьиц вновь достигает максимума.

eco-rasteniya.ru

Главный источник - углерод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Главный источник - углерод

Cтраница 1

Главный источник углерода для живых организмов - это диоксид углерода ( углекислый газ), содержащийся в атмосфере и растворенный в поверхностных водах.  [2]

Главным источником углерода для роста плесени были, по-видимому, углеводы, еще остававшиеся в ферментированном щелоке. Плесени, вероятно, расходовали также низкомолекулярные фракции лигносульфоната, так как одна плесень дала нерастворимый лигнинный остаток ( лигнин определялся по методу Класона с 72 % - ной серной кислотой), имевший 8 3 % мето-ксилов. Плесени же, выращенные в нормальной питательной среде, давали остатки, лишенные метоксилов.  [3]

Углекислый газ является главным источником углерода в органических соединениях, и именно поэтому еще раньше пробудился интерес к его роли в жизни растений. Количество СС2, ежегодно потребляемое живыми организмами, доходит до 3 % от общего запаса СО2 в атмосфере. Следовательно, жизнедеятельность растений должна существенным образом влиять на концентрацию СО2 вблизи земной поверхности.  [4]

Большинство бактерий с таким типом метаболизма используют СО2 в качестве единственного или главного источника клеточного углерода. Механизм такого типа фиксации СО2 будет рассмотрен в конце этой главы ( разд.  [5]

Уже на рубеже XVIII и XIX столетий было установлено, что углекислый газ атмосферы является главным источником углерода для живого вещества.  [6]

Значение открытия и последующего определения состава С02 для развития естествознания трудно переоценить. Соссюра было установлено, что углекислый газ атмосферы является главным источником углерода для живого вещества.  [7]

Шпренгель ясно сознавал оригинальность своих воззрений: он говорил о своей теории питания, которая основана не только на многих наблюдениях и размышлениях, но, что я считаю более решающим, также на многих и очень многих сравнительных опытах. Лишь в одном пункте Шпренгель сходится с гумусовой теорией и расходится с Либихом: он, считая главным источником углерода в растениях углекислоту воздуха, не отрицает все же одновременного использования перегноя почвы корнями, но у него не было ни одного факта, который позволил бы ему отрицать это.  [8]

Организмы, получающие энергию с помощью фотосинтеза или путем окисления неорганических соединений, способны в большинстве своем использовать СО2 в качестве главного источника углерода. Все остальные организмы получают клеточный углерод главным образом из органических веществ. Последние, как правило, служат источниками как энергии, так и углерода; частично они ассимилируются для построения клеток, частично окисляются для получения энергии. Из природных органических соединений на Земле количественно преобладают полисахариды-целлюлоза и крахмал. Структурные элементы этих полимерных соединений - молекулы глюкозы-могут использоваться очень многими микроорганизмами. Микроорганизмы, однако, способны использовать и все другие органические соединения, образующиеся естественным путем.  [10]

Углерод входит в состав всех органических веществ. Содержание углерода достигает в среднем 45 % веса сухой растительной массы и равно, таким образом, почти сумме всех остальных элементов, находящихся в растениях. Главный источник углерода при питании зеленых расте - ний - атмосфера, содержащая углекислый газ. Однако решающее значение имеет углекислый газ, проникающий в растения из возду - ха через листья; этому источнику углерода принадлежит основная роль в образовании органических веществ урожая.  [11]

Углерод входит в состав всех органических веществ. Содержание углерода достигает в среднем 45 % веса сухой растительной массы и равно, таким образом, почти сумме всех остальных элементов, находящихся в растениях. Главный источник углерода при питании зеленых растений - атмосфера, содержащая углекислый газ. В последние годы советскими учеными доказана возможность частичного поступления солей угольной кислоты в растения и из почвы через корни. Однако решающее значение имеет углекислый газ, проникающий в растения из воздуха через листья; этому источнику углерода принадлежит основная роль в образовании органических веществ урожая.  [12]

Многие же способны активно фиксировать атмосферный азот, переводя его в органическую форму. Эти анаэробы способствуют повышению плодородия почв. Количество клеток протеолитических и сахаролитических анаэробов в 1 г плодородных почв достигает даже миллионов. Особое значение имеют те группы микроорганизмов, которые участвуют в разложении труднодоступных форм органических соединений, таких, как пектиновые вещества и целлюлоза. Именно эти вещества составляют большую долю растительных остатков и являются главным источником углерода для почвенных микроорганизмов. В анаэробных условиях эти соединения разрушаются пекти-нолитическими и целлюлозолитическими анаэробами.  [13]

Восстановительный пентозофосфатный цикл является основным механизмом автотрофной ассимиляции углекислоты. Последняя у большинства фотосинтезирующих эубактерий восстанавливается с помощью фотохимически образованной ассимиляционной силы - АТФ и восстановителя. Однако и АТФ, и восстановитель ( НАДФ Н2 или НАД Н2) образуются в разных метаболических путях. Поэтому нельзя рассматривать восстановительный пентозофосфатный цикл ассимиляции С02 строго привязанным только к фотосинтезу. У большой группы хемоавтотрофных эубактерий этот путь фиксации С02 сочетается с темновыми окислительными процессами получения энергии. Важно отметить только, что это основной путь ассимиляции С02, если последняя служит единственным или главным источником углерода.  [14]

Страницы:      1

www.ngpedia.ru

Углерод в организме человека

Углерод (С) - шестой элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. Его содержание в земной коре составляет около 0,16%, то есть он является одним из самых распространенных химических элементов.

Углерод - это базовый биоэлемент. Все вещества, в молекулах которых имеется хотя бы один атом углерода, по определению считаются органическими (исключения составляют только карбиды, угольная кислота, оксиды углерода, цианиды и тиоцианаты).

Углерод уникален тем, что имеет все восемь степеней окисления (от 4 до -4). Правда, имеются другие химические элементы с таким же свойством, например, кремний, но на их основе вряд ли могла зародиться жизнь в привычном нам понимании, поскольку тот же кремний намного тяжелее углерода: оксид углерода при нормальных условиях - довольно легкий газ (немного тяжелее воздуха), оксид кремния - твердое вещество (кварц - почти 100%-ный оксид кремния). Более тяжелые аналоги (германий, олово и свинец) вообще не имеет смысла рассматривать в данном аспекте.

С углеродом человек познакомился очень давно, и вероятнее всего, в форме сажи и основного компонента древесного и каменного угля. Намного позже люди стали использовать такие аллотропные формы углерода, как графит и алмаз. Кстати, только в середине XVIII столетия благодаря французскому химику Лавуазье люди узнали, что алмаз - это углерод.

Благодаря наличию большого количества степеней окисления углерод образует очень большое количество аллотропных форм. Но в природе наиболее распространены только три - сажа, графит и алмаз. С помощью нанотехнологий в лабораторных условиях человек научился получать такие формы углерода, которые в природе сами по себе возникнуть не могут. Причем физические свойства таких форм еще только начали изучаться.

Углерод входит в состав всех соединений, участвующих в построении живых организмов и обеспечении их жизнедеятельности, - белков, жиров, углеводов, витаминов, нуклеиновых кислот, гормонов и т.д. На 21% тело человека состоит из углерода. Если из 100% вычесть 75%, приходящихся на воду, то... комментарии излишни. Наши мышцы на 2/3 состоят из углерода, кости - на 1/3. В кровяном русле человека в форме различных соединений циркулирует около 150 г углерода, а во всех костях его содержится около 280 г.

Наземные растения почти наполовину состоят из углерода.

Углерод входит в состав углекислого газа, который усваивают растения и в результате фотосинтеза превращают сначала в глюкозу, а затем в другие органические вещества. Многие растения без света погибают именно потому, что не могут без него поглощать углекислоту, то есть обречены на углеродное голодание. Ну, а без растений не обходится животный мир, поскольку травоядные представители фауны живут преимущественно за счет органических веществ растений. И так далее по пищевой цепи, вплоть до человека.

Организм животных получает энергию за счет окислительного распада углеродсодержащих соединений и при этом выделяет в окружающую среду углекислый газ.

В организм человека углерод попадает с пищей (приблизительно 300 г в сутки) и с углекислым газом, содержащимся в воздухе (в среднем 3,7 г в сутки).

Углекислый газ (углекислота) - очень стойкое химическое соединение, поэтому реакции с его образованием практически необратимые. Данное свойство находит самое широкое применение. Например, все карбонаты при соединении с кислотами образуют углекислоту, которая при обычных условиях имеет газообразную форму. Поэтому питьевая сода (гидрокарбонат натрия) или мел (карбонат кальция) при внутреннем употреблении нейтрализуют содержащуюся в желудке соляную кислоту, тем самым избавляя человека от изжоги.

В чистом виде углерод совершенно безопасен для человека. Активированный уголь, то есть почти 100%-ный углерод, имеет широкое применение в технике, химии, медицине, поскольку обладает абсорбирующими свойствами.

Токсичными для человека являются некоторые соединения углерода (например, СО - угарный газ, CS2 - сероуглерод, ССl4 - четыреххлористый углерод, С6Н6 - бензол, CN- - цианиды и др.).

НАВИГАТОР ПО ХИМИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТАМ:

Там можно найти химический элемент

ЖМИ СЮДА

Понравилась статья? Сделайте доброе дело - поделитесь с друзьями в соцсетях:

Комментарии для сайта Cackle

zdips.ru

Углерод химический элемент

«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал — все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».

Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе — углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.

Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга — не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц — есть в активе только одного элемента — углерода.

И вообще литература по углероду — богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы...

Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного — попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.

Углерод — один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода — алмаз или графит — была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода — уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод — это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах — в виде графита и алмаза.

Вам никогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств, который проходит во втором коротком периоде менделеевской таблицы по линии, отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот, кислород, фтор при обычных условиях газообразны. Углерод — в любой форме — твердое тело. Температура плавления азота — минус 210,5°С, а углерода (в виде графита под давлением свыше 100 атм) — около плюс 4000°С...

Дмитрий Иванович Менделеев первым предположил, что эта разница объясняется полимерным строением молекул углерода. Он писал: «Если бы углерод образовывал молекулу C2, как и O2, то был бы газом». И далее: «Способность атомов угля соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях. Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится Сп, где n есть большая величина».

Углерод и его полимеры

Это предположение подтвердилось в наше время. И графит, и алмаз — полимеры, состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.

По меткому замечанию профессора Ю.В. Ходакова, «если исходить из природы преодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести к химическим профессиям». Действительно, гранильщику приходится преодолевать не сравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химической связи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристалл алмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан» — это по существу одна молекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенного трехмерного полимера.

Иное    дело    графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двух направлениях — по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вот почему так просто — даже от соприкосновения с бумагой — расслаивается графит. В то же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьма сложно — здесь противодействует химическая связь.

Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах графита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз — изолятор. Графит совершенно не пропускает света — алмаз прозрачен. Какими бы способами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только CO2. А окисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов, в частности графитовую (переменного состава) и меллитовую C6(COOH)6 кислоты. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляет лишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтому возможно или полное окисление или полное неокисление — третьего не дано...

Итак, есть «пространственный» полимер элементного углерода, есть «плоскостной». В принципе давно уже допускалось существование и «одномерного» — линейного полимера углерода, но в природе он не был найден.

Не был найден до поры до времени. Через несколько лет после синтеза линейный полимер углерода был найден в метеоритном кратере, на территории ФРГ. А получили его первыми советские химики В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Линейный полимер углерода назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. Открылись у карбина и вовсе неожиданные свойства. Оказалось, например, что кровь при контакте с ним не образует сгустков — тромбов, поэтому волокно с покрытием из карбина стали применять при изготовлении неотторгаемых организмом искусственных кровеносных сосудов.

По словам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы. В нем могли быть чередующиеся одинарные и тройные связи (—C = C—C=C —С=), а могли быть только двойные (=C=C=C=C=)... А могло быть и то и другое одновременно. Лишь через несколько лет Коршаку и Сладкову удалось доказать, что двойных связей в карбине нет. Однако, поскольку теория допускала существование углеродного линейного полимера только с двойными связями, была предпринята попытка получить эту разновидность — по существу, четвертую модификацию элементного углерода.

Углерод в минералах

Это вещество было получено в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новый линейный полимер углерода назвали поликумуленом. А сейчас известно не меньше восьми линейных полимеров углерода, отличающихся один от другого строением кристаллической решетки. В зарубежной литературе все их называют карбинами.

Этот элемент всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то — 4. В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами — наоборот. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе — его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.

Весьма немногочисленны соединения, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность, отличную от четырех. Общеизвестно лишь одно такое соединение — CO, угарный газ, в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что в действительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислорода соединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этого соединения пишут так: O+=C".

В 1900 г. М. Гомберг получил органическое соединение трифенилметил (C6H5)3C. Казалось, что атом углерода здесь трехвалентен. Но позже выяснилось, что и на этот раз необычная валентность — сугубо формальная. Трифенилметил и его аналоги — это свободные радикалы, только в отличие от большинства радикалов достаточно стабильные.

...Исторически сложилось так, что лишь очень немногие соединения углерода остались «под крышей» неорганической химии. Это окислы углерода, карбиды — его соединения с металлами, а также бором и кремнием, карбонаты — соли слабейшей угольной кислоты, сероуглерод CS2, цианистые соединения. Приходится утешаться тем, что, как это часто бывает (или бывало) на производстве, недоработку по номенклатуре компенсирует «вал». Действительно, наибольшая часть углерода земной коры содержится не в организмах растений и животных, не в угле, нефти и всей прочей органике, вместе взятой, а всего в двух неорганических соединениях — известняке CaCO3 и доломите MgCa(CO3)2. Углерод входит в состав еще нескольких десятков минералов, достаточно вспомнить о мраморе CaCO3 (с добавками), малахите Cu2(OH)2CO3, минерале цинка смитсоните ZnCO3... Есть углерод и в магматических породах, и в кристаллических сланцах.

Очень редки минералы, в состав которых входят карбиды. Как правило, это вещества особенно глубинного происхождения; поэтому ученые предполагают, что в ядре земного шара есть углерод.

Для химической промышленности углерод и его неорганические соединения представляют значительный интерес — чаще как сырье, реже как конструкционные материалы.

Многие аппараты химических производств, например теплообменники, изготавливают из графита. И это естественно: графит обладает большой термостойкостью и химической стойкостью и при этом прекрасно проводит тепло. Кстати, благодаря этим же свойствам графит стал важным материалом реактивной техники. Из графита сделаны рули, работающие непосредственно в пламени сопловых аппаратов. В воздухе воспламенить графит практически невозможно (даже в чистом кислороде сделать это непросто), а чтобы испарить графит, нужна температура, намного более высокая, чем развивающаяся даже в ракетном двигателе. И, кроме того, при нормальном давлении графит, как и гранит, не плавится.

Без графита трудно представить современное электрохимическое производство. Графитовые электроды используются не только электрометаллургами, но и химиками. Достаточно вспомнить, что в электролизерах, применяемых для получения каустической соды и хлора, аноды — графитовые.

Использование углерода

Об    использовании  соединений углерода    в химической промышленности написаны многие книги. Карбонат кальция, известняк, служит сырьем в производстве извести, цемента, карбида кальция. Другой минерал — доломит — «праотец» большой группы доломитовых огнеупоров. Карбонат и гидрокарбонат натрия — кальцинированная и питьевая сода. Одним из основных потребителей кальцинированной соды была и остается стекольная промышленность, на нужды которой идет примерно треть мирового производства Na2CO3.

И наконец, немного о карбидах. Обычно, когда говорят карбид, имеют в виду    карбид кальция    — источник    ацетилена,    а    следовательно, многочисленных продуктов органического синтеза. Но карбид кальция, хотя и самое известное, но далеко не единственное очень важное и нужное вещество этой группы. Карбид бора B4C — важный материал атомной

техники^, карбид кремния SiC или карборунд — важнейший абразивный материал. Карбидам многих металлов свойственны высокая химическая стойкость и исключительная твердость; карборунд, к примеру, лишь немного уступает алмазу. Его твердость по шкале Mooca равна 9,5—9,75 (алмаза — 10). Но карборунд дешевле алмаза. Его получают в электрических печах при температуре около 2000°С из смеси кокса и кварцевого песка.

По словам известного советского ученого академика И.Л. Кнунянца, органическую химию можно рассматривать как своеобразный мост, перекинутый наукой от неживой природы к высшей ее форме — жизни. А всего полтора столетия назад лучшие химики того времени сами считали и учили своих последователей, что органическая химия это наука о веществах, образующихся при участии и под руководством некоей странной «материи» — жизненной силы. Но скоро эту силу отправили на свалку естествознания. Синтезы нескольких органических веществ — мочевины, уксусной кислоты, жиров, сахароподобных веществ — сделали ее попросту ненужной.

Появилось классическое определение К. Шорлеммера, не потерявшее смысла и 100 лет спустя: «Органическая химия есть химия углеводородов и их производных, то есть продуктов, образующихся при замене водорода другими атомами или группами атомов».

Итак, органика — это химия даже не одного элемента, а лишь одного класса соединений этого элемента. Зато какого класса! Класса, поделившегося не только на группы и подгруппы — на самостоятельные науки. Из органики вышли, от органики отпочковались биохимия, химия синтетических полимеров, химия биологически активных и лекарственных соединений...

Сейчас известны миллионы органических соединений (соединений углерода!) и около ста тысяч соединений всех остальных элементов, вместе взятых.

Общеизвестно, что на углеродной основе построена жизнь. Но почему же именно углерод — одиннадцатый по распространенности на Земле элемент — взял на себя труднейшую задачу быть основой всего живого?

Ответ на этот вопрос неоднозначен. Во-первых, «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде». Во-вторых, углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами. В-третьих, связь атомов углерода между собой, так же как и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и прочих элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов. Поэтому углерод непрерывно круговращается в природе: из атмосферы — в растения, из растений — в животные организмы, из живого — в мертвое,

из мертвого — в живое...

Четыре валентности атома углерода — как четыре руки. А если соединились два таких атома, то «рук» становится уже шесть. Или — четыре, если на образование пары затрачено по два электрона (двойная связь). Или — всего две, если связь, как в ацетилене, тройная. Но эти связи (их называют ненасыщенными) подобны бомбе в кармане или джину в бутылке. Они скрыты до поры до времени, но в нужный момент вырываются на волю, чтобы взять свое в бурной, азартной игре химических взаимодействий и превращений. Самые разнообразные конструкции образуются в результате этих «игрищ», если в них участвует углерод. В редакции «Детской энциклопедии» подсчитали, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно получить 366 319 различных углеводородов, 366 319 веществ состава С20Н42. А если в «игре» не шесть десятков участников, а несколько тысяч; если среди них представители не двух «команд», а, скажем, восьми!

Где углерод, там многообразие. Где углерод, там сложности. И самые разные по молекулярной архитектуре конструкции. Простенькие цепочки, как в бутане Ch4—Ch3—Ch3—Ch4 или полиэтилене —Ch3—Ch3—Ch3— Ch3-, и разветвленные структуры простейшая из них — изобутан.

natural-museum.ru

Углерод

Углерод (лат. Carboneum) - химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 6, атомная масса 12,0 11. История знакомства человека с этим веществом уходит далеко в глубь веков. Неизвестно имя того, кто открыл углерод, неизвестно, какая из форм чистого углерода — графит или алмаз - была открыта раньше. Содержание углерода в земной коре составляет 2,3 • 10-2% по массе. Углерод - основная составная часть растительного и животного мира. Все горючие ископаемые — нефть, газ, торф, сланцы - построены на углеродной основе, особенно богат углеродом каменный уголь. Большая часть углерода сосредоточена в минералах, известняке СаСО3 и доломите CaMg(CO3)2, представляющих собой соли щелочноземельных металлов и слабой угольной кислоты Н2СО3. Среди жизненно важных элементов углерод - один из важнейших: жизнь на нашей планете построена на углеродной основе. Почему? Ответ на этот вопрос находим в «Основах химии» Д. И. Менделеева: «Углерод встречается в природе, как в свободном, так и в соединительном состоянии, в различных формах и видах... Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях... Ни в одном из элементов... способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде... Ни одна пара элементов не дает столь много соединений, как углерод с водородом». Действительно, атомы углерода могут соединяться разнообразными способами между собой и с атомами многих других элементов, образуя огромное разнообразие веществ. Их химические связи могут возникать и разрушаться под действием природных факторов. Так возникает круговорот углерода в природе: из атмосферы - в растения, из растений - в животные организмы, из них - в неживую природу и т.д. Где углерод, там многообразие веществ, где углерод, там самые разнообразные по молекулярной архитектуре конструкции. С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Важную геохимическую роль в земной коре играют СО2 и угольная кислота. Огромное количество СО2 выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основной источник углерода для биосферы. Неорганических соединений углерода по количеству намного меньше, чем органических. Углерод в форме алмаза, графита, угля вступает в соединение только при нагревании. При высоких температурах он соединяется с металлами и некоторыми неметаллами, например с бором, образуя карбиды. Из неорганических соединений углерода наиболее известны соли угольной кислоты, диоксид углерода СО2 (углекислый газ) и моноксид углерода СО. Значительно менее известен третий оксид С3О2-бесцветный газ с неприятным резким запахом. В атмосфере Земли находится 2,3 • 10^12 т диоксида СО2-продукта дыхания и горения. Это основной источник углерода для развития растений. Оксид углерода СО, известный под названием угарного газа, образуется при неполном сгорании топлива: в выхлопных газах автомобилей и т.д. В промышленности оксид углерода СО используют в качестве восстановителя (например, при выплавке чугуна в доменных печах) и для синтеза органических веществ. Например, метилового спирта по реакции: СО + 2Н2 > СН3ОН Элементарный углерод образует аллотропические модификации: алмаз - неорганический полимер пространственной, объемной структуры, графит - полимер плоскостной структуры, карбин - линейный полимер углерода, существующий в двух формах, отличающихся характером и чередованием химических связей. Алмаз - кристаллическая форма углерода, редкий минерал, по твердости превосходящий все природные и все, кроме кристаллического нитрида бора, искусственные материалы. Крупные кристаллы алмаза после огранки превращаются в драгоценнейшие из камней - бриллианты. В конце XVII в. флорентийские ученые Аверани и Тарджони пытались сплавить несколько мелких алмазов в один крупный, нагрели их солнечными лучами с помощью зажигательного стекла. Алмазы исчезли, сгорев на воздухе... Прошло около ста лет, прежде чем французский химик А. Лавуазье в 1772 г. не только повторил этот опыт, но и объяснил причины исчезновения алмаза: кристаллик драгоценного бриллианта сгорал точно так же, как в других опытах сгорали кусочки фосфора и угля. И только в 1797 г. английский ученый С. Теннант доказал идентичность природы алмаза и угля. Он установил, что объемы углекислого газа после сгорания равных по массе уголька и алмаза оказались одинаковыми. После этого множество раз пытались получить алмаз искусственным путем из графита, угля и углеродсодержащих материалов при высоких температурах и давлениях. Иногда после этих опытов находили мелкие алмазоподобные кристаллики, но произвести удачные эксперименты не удавалось ни разу. Синтез алмаза стал возможен после того, как советский физик О. И. Лейпунский в 1939 г. рассчитал условия, при которых графит может превращаться в алмаз (давление около 60 000 атм, температура 1600-2000°С). В 50-х гг. нашего века почти одновременно в нескольких странах, в том числе и в СССР, искусственные алмазы были получены в промышленных условиях. Алмазные коронки буровых установок, алмазный режущий инструмент, шлифовальные круги с алмазной крошкой работают надежно и долго. Искусственные алмазы, так же как и природные кристаллы, широко используются в современной технике. Еще шире применяется на практике другой чисто углеродный полимер - графит. В кристалле графита атомы углерода, лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники. Шестиугольники с общими гранями образуют плоскости-пачки. Связи между углеродными атомами разных пачек малопрочны. К тому же расстояние между углеродными атомами разных плоскостей почти в 2,5 раза больше, чем между соседними атомами одной плоскости. Поэтому незначительного усилия достаточно, чтобы расщепить графитовый кристалл на отдельные чешуйки. Вот почему графитовый стержень карандаша оставляет след на бумаге. Несравненно труднее разрушить связь между атомами углерода, лежащими в одной плоскости. Прочность этих связей - причина высокой химической стойкости графита. На него не действуют даже горячие щелочи и кислоты, за исключением концентрированной азотной кислоты. Помимо высокой химической стойкости графиту свойственна и высокая термостойкость: изделия из него можно использовать при температуре до 3700°С. Способность проводить электрический ток определила многие области применения графита. Он нужен в электротехнике, металлургии, производстве порохов, атомной технике. Графит высочайшей чистоты используется в реакторостроении как эффективный замедлитель нейтронов. Линейный полимер углерода – карбин - пока применяется в практике ограниченно. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно тройными и одинарными связями. Это вещество было впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах. В молекуле другой формы карбина - поликумулена, впервые полученного также в СССР, углеродные атомы связаны иначе, чем в карбине ,- только двойными связями. Число известных науке органических соединений – соединений углерода - достигает 5 млн. Химия полимеров - природных и синтетических - это тоже, прежде всего химия соединений углерода. Органические соединения углерода изучают такие самостоятельные науки, как органическая химия, биохимия, химия природных соединений. Неоценимо значение соединений углерода в жизни человека - повсюду нас окружает связанный углерод: в атмосфере и литосфере, в растениях и животных, в нашей одежде и пище. Соединения углерода играют громадную роль и в существовании самого человеческого организма.

nanolife.info

Углерод, его химическое и биологическое значение

Углерод.

Биологическое значение.

Все без исключения живые организмы построены из соединений углерода. Особенностью атома углерода является их способность соединяться между собой, образуя сколь угодно длинные цепи, которые могут быть и разветвленными, содержащими миллионы и миллиарды атомов углерода, соединенных с атомами других элементов (самые из известных молекул – это молекулы белков, содержащих до миллиарда углеродных звеньев). Их длина может даже достигать одного метра!

Углерод в организме. Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и другие). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления Углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современное науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль Углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один других элемент периодической системы. Между атомами Углерода, а также между Углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность Углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с других атомами Углерода создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О и Н - составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома Углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органических соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками Углерода служили метан (СН4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического Углерода, за счет которого образуется все органическое вещество биосферы, является оксид углерода (IV) (СО2), находящийся в атмосфере, а также растворенный в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) Углерода (в форме СО2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т СО2). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют Углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника Углерода углеводороды нефти, - одна из важных современное научно-технических проблем.

Содержание Углерода в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основные за счет тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду СО2. Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть Углерода вновь превращается в СО2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот Углерода в природе. Значительная часть Углерода минерализуется и образует залежи ископаемого Углерода: каменные угли, нефть, известняки и другие. Помимо основной функции - источника Углерода - СО2, растворенная в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе СаСО3 Углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и других Такие соединения Углерода, как HCN, СО, ССl4, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

Помимо стабильных изотопов Углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов Углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота Углерод в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3- растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии

Применение

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем. Исключительно высокая теплопроводность алмаза (до 2000 Вт/м·К) делает его перспективным материалом для полупроводниковой техники в качестве подложек для процессоров. Но относительно высокая цена (около 50 долларов/грамм) и сложность обработки алмаза ограничивают его применение в этой области.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент.

Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа пожирают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возврашением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.

Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества. В смеси с техническими маслами в качестве смазочного материала. Из смеси графита с глиной изготавливают плавильные тигли. Графит используют в ядерной промышленности, как поглотитель нейтронов.

Кокс применяют в металлургии, как восстановитель. Древесный уголь – в кузнечных горнах, для получения пороха (75%KNO3 + 13%C + 12%S), для поглощения газов (адсорбция), а также в быту. Сажу применяют, как наполнитель резины, для изготовления черных красок – типографская краска и тушь, а также в сухих гальванических элементах. Стеклоуглерод применяют для изготовления аппаратуры для сильно агрессивных сред, а также в авиации и космонавтике.

Активированный уголь поглощает вредные вещества из газов и жидкостей: им заполняют противогазы, очистительные системы, его применяют в медицине при отравлениях.

mirznanii.com