Углерод (С)
елях, но
растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, железо Fe,
никель Ni, кобальт Co).
Изотопы углерода. В природе известно семь изотопов углерода, из которых
существенную роль играют три. Два из них - [pic] и [pic] - являются
стабильными, а один - [pic] - радиоактивным (в организме человека его
содержится около 0,1мккюри). С использованием изотопов углерода в
биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения
в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью
радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3 растениями
и тканями животных, установлена последовательность реакции 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.
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 др.).
Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за
счёт окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в
современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.
Содержание углерода в живых организмах в расчёте 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.
Роль углерода в живой природе. Уникальная роль углерода в живой природе
обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один
другой 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 другими
атомами углерода создаёт возможность для построения углеродных скелетов
различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что
всего три элемента - углерод С, кислород О и водород Н - составляют 98%
общей массы живых организмов. Этим достигается определённая 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 органические
соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода
служили метан (CH4) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной
атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником
неорганического углерода, за счёт которого образуется всё органическое
вещество биосферы, является двуокись углерода (CO2), находящаяся в
атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO-3. Наиболее
мощный механизм усвоения (ассимиляции) углерода (в форме CO2) - фотосинтез
- осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется
около 100 млрд. т CО2). На Земле существует и эволюционно более древний
способ усвоения CO2 путём 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 современных научно-
технических проблем.
Помимо основной функции - источника углерода - двуокись углерода CO2,
растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в
поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В
составе CaCO3 углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных
(например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной
скорлупе птиц и др. Такие соединения углерода, как HCN, CO, CCl4,
преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в
дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные
антиметаболиты обмена веществ.
Круговорот углерода. Углерод - основной биогенный элемент; он играет
важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из
атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёными растениями,
ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органические
соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие
микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости
размножения продуцируют в год около 1,5·10№№ т углерода в виде органической
массы, что соответствует
5,86·10Іє Дж (1,4·10Ієкал) энергии. Растения частично поедаются животными
(при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном
счёте органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их
трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ
или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь,
дают начало многим др. каустобиолитам - каменным углям, нефти, горючим
газам.
[pic]
Круговорот углерода.
В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль
играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например,
плесневые).
В активном круговороте углерода участвует очень небольшая часть всей его
массы. Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде
ископаемых известняков и других пород. Между углекислым газом атмосферы и
водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.
Таблица: Содержание углерода на поверхности Земли и в земной коре (16
км мощности)
В т В г на 1 смІ поверхности Земли
Животные 5·109 0,0015
Растения 5·10№№ 0,1
Атмосфера 6,4·10№№ 0,125
Океан 3,8·10№і 7,5
Массивные кристаллические
породы: базальты и др. 1,7·1014 33,0
основные породы
Граниты, гранодиориты 2,9·1015 567
Угли, нефти и другие
каустобиолиты 6,4·1015 663
Кристаллические сланцы 1·1016 2000
Карбонаты 1,3·1016 2500
Всего 3,2·1016 5770
Многие водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты,
а затем из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извлечено и
захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней находится
в данный момент. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам
разложения органического вещества, карбонатов и др., а также, всё в большей
мере, в результате индустриальной деятельности человека. Особенно мощным
источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из
углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды,
извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности
известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе
круговорота углерода происходит неоднократное фракционирование его по
изотопному составу (№ІC - №іC), особенно в магматогенном процессе
(образование CO2, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании
органического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).
Применение углерода. Углерод широко используется в виде простых веществ.
Драгоценный алмаз является предметом ювелирных украшений; непрозрачный
алмаз - ценный абразив, а так же материал для изготовления резцов и другого
инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются
для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где
требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Графит применяют для
изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, твердых
смазочных материалов; в ракетной технике; как замедлитель нейтронов в
ядерных реакторах; компонент состава для изготовления стержней для
арандашей; для получения алмаза; наполнитель пластмасс. Каменноугольный
кокс используется в черной металлургии в качестве топлива и восстановителя
в доменных печах и вагранках. Нефтяной и электродный пековый кокс
применяется для изготовления угольных и графитированных электродов, реже -
как топливо. Сажа (технический углерод) применяется как наполнитель в
производстве резины, пластмасс; пигмент в лакокрасочной промышленности; для
изготовления электродов и т. п. Карбиды, соединения углерода с металлами, а
также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой
твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего
инструмента. Углерод применяется для получения металлов из их оксидов.
Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде
карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой
температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердост
| |  скачать работу |
Углерод (С) |
