6 C 12.011

Углерод

Неметалл Carboneum твёрдое

[He] 2s² 2p² · 2 · 4

← B Бор N Азот →

Элемент, на котором построена жизнь. Четыре валентных электрона позволяют углероду связываться с самим собой в бесконечные цепи, кольца и каркасы — известно больше десяти миллионов соединений углерода, больше, чем у всех остальных элементов вместе взятых.

3D-модель

Модель Бора: ядро и электронные оболочки по конфигурации. Валентные электроны подсвечены.

Тяните, чтобы вращать; колесо — масштаб

Атомные свойства

Атомный номер: 6
Атомная масса: 12.011 а.е.м.
Электронная конфигурация: [He] 2s² 2p²
Электроны по оболочкам: 2 · 4
Блок: p-блок
Группа: Подгруппа углерода
Период: 2
Электроотрицательность (Полинг): 2.55
Электроотрицательность (Аллен): 2.54
Атомный радиус: 67 pm
Ковалентный радиус: 76 pm
Ван-дер-ваальсов радиус: 170 pm
1-я энергия ионизации: 1 086.5 kJ/mol
2-я энергия ионизации: 2 352.6 kJ/mol
3-я энергия ионизации: 4 620.5 kJ/mol
4-я энергия ионизации: 6 222.7 kJ/mol
5-я энергия ионизации: 37 831 kJ/mol
Сродство к электрону: 153.9 kJ/mol
Характерные степени окисления: -4, +2, +4
Степени окисления: -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4

Физические свойства

Состояние при 25 °C: твёрдое
Плотность: 2.267 g/cm³
Температура плавления: 3 823 K · 3 549.9 °C
Температура кипения: 4 098 K · 3 824.9 °C
Скорость звука: 18 350 m/s

Тепловые свойства

Теплота плавления: 117 kJ/mol
Теплота испарения: 355 kJ/mol
Удельная теплоёмкость: 0.709 J/(g·K)
Теплопроводность: 140 W/(m·K)

Механические свойства

Модуль Юнга: 1 050 GPa
Модуль сдвига: 478 GPa
Модуль объёмного сжатия: 33 GPa
Коэффициент Пуассона: нет данных
Твёрдость по Моосу: 10
Твёрдость по Бринеллю: нет данных

Электрические и магнитные свойства

Удельное сопротивление: 7 837 nΩ·m
Магнитный тип: диамагнетик
Точка Кюри: нет данных
Точка Нееля: нет данных
Температура сверхпроводимости: нет данных

Кристаллическая структура

Кристаллическая решётка: гексагональная слоистая (графит)
Параметры решётки: a = 246.4 pm · c = 671.1 pm

Распространённость

В земной коре: 200 mg/kg
В океане: 28 mg/L
Во Вселенной: 5·10⁶ mg/kg
В теле человека: 230 000 mg/kg

Изотопы

Изотоп	Распространённость	Период полураспада	Тип распада
¹²C	98.93 %	стабилен	—
¹³C	1.07 %	стабилен	—
¹⁴C	—	5 700.8 лет	β−

Углерод-14 образуется в атмосфере под действием космических лучей и с периодом полураспада 5700 лет служит основой радиоуглеродного датирования; углерод-13 используют в спектроскопии ЯМР.

Открытие

Год открытия: известно с древности
Кто открыл: известен с древности
Где: нет данных
Происхождение названия: от латинского «carbo» — уголь

История

Углерод в виде угля и сажи знали с доисторических времён, а алмаз ценили тысячелетия. Что алмаз и графит — одно вещество, доказал Лавуазье в 1772 году, сжигая алмаз в фокусе линзы и получая только углекислый газ.

Где встречается

В коре его лишь 200 мг/кг, но именно углерод циркулирует между атмосферой, океаном, породами и живым веществом. Основные формы — карбонатные породы, уголь, нефть и газ.

Как получают

Графит добывают из природных месторождений и синтезируют по методу Ачесона из нефтяного кокса. Технические алмазы делают при 5 ГПа и 1500 °C либо осаждением из газовой фазы.

Роль в живой природе

Углерод — второй по массе элемент человеческого тела после кислорода, около 18 %. Скелет любой биомолекулы — белка, ДНК, липида, сахара — это углеродная цепь.

Безопасность

Сам углерод нетоксичен. Опасны продукты неполного сгорания: угарный газ связывается с гемоглобином в 200 раз прочнее кислорода, а сажа канцерогенна.

Применение

Сталь: доли процента углерода превращают мягкое железо в закаливаемую сталь
Графитовые электроды дуговых печей и анодов алюминиевого производства
Углеродное волокно и композиты — от самолётов до велосипедных рам
Активированный уголь для очистки воды, воздуха и в медицине
Алмазный инструмент для резки, бурения и шлифовки

Любопытные факты

Алмаз и графит различаются только способом соединения атомов, но по твёрдости различаются в тысячи раз.
Графен — слой углерода толщиной в один атом — прочнее стали в двести раз при том же сечении.
Углерод не плавится при обычном давлении: он возгоняется около 3900 K.
Атомная масса углерода-12 ровно 12 по определению — на нём построена вся шкала атомных масс.
Фуллерен C₆₀ имеет форму футбольного мяча; за его открытие дали Нобелевскую премию 1996 года.