Углерод

Углерод, химический элемент, обозначается буквой С, атомный вес его 12,0 (принимая атомный вес кислорода 16). Углерод  является одним из важнейших и распространеннейших на земной поверхности элементов. Он входит как существенная часть в состав всех организованных тел природы (животных и растений) в виде многочисленного ряда самых разнообразных соединений, образованных главным образом углеродом, водородом, кислородом и азотом; еще большее число таких соединений получены искусственно. Число таких соединений настолько значительно, что в настоящее время изучение их выделено в отдельную научную дисциплину, известную под названием органической химии (см. химия). Кроме этих органических соединений, углерод входит в состав многих минеральных соединений, из которых значительное число встречается в природе, и которые играют важную роль в различных процессах, совершающихся в природе. В свободном виде углерод образует три простых тела: уголь, графит и алмаз, которые все состоят только из углерода и представляют замечательный пример так называемой аллотропии (см.), т, е. резкого различия внешних свойств при полной тождественности химического состава.

Уголь представляет аморфную некристаллическую разновидность углерода, хорошо всем знакомую в виде обыкновенного древесного угля или сажи. И уголь, и сажа получаются при накаливании без доступа воздуха различных органических веществ, причем, если при этой операции пользуются деревом (древесиной), то получают уголь, если же операция эта производится над газообразными веществами, то получается сажа (см.). Приготовленные обычными способами уголь и сажа, кроме углерода, содержат еще некоторые количества кислорода и водорода (а уголь, кроме того, и золу). Для того, чтобы получить эти вещества в возможно более чистом виде, необходимо прибегать к особым и довольно сложным приемам, для чего, во 1-х, необходимо разложение органических веществ производить при высокой температуре, а во 2-х, применить особую химическую обработку к полученным углистым массам. Чрезмерно высокие температуры применять при получении угля нельзя, так как уголь начинает переходить в графит, поэтому не следует идти свыше 1 500°. Если желают получить уголь без золы, то вместо дерева берут хорошо очищенный кристаллический сахар и подвергают его действию высокой температуры (обугливают). Для удаления последних следов водорода уголь и сажу подвергают действию хлора при температуре 800°—1 000° и затем снова прокаливают продолжительное время для удаления поглощенного углем хлора; прокаливание и затем охлаждение лучше вести в пустоте. Полученные после такой обработки уголь и сажа по своим внешним свойствам почти не отличаются от обычно приготовленных угля и сажи. Получение древесного угля при помощи накаливания дерева без доступа воздуха производится в громадном размере для промышленных целей (главным образом для выплавки чугуна); например, у нас, на Урале, операция эта ведется или в кострах (кучах) или в особых печах и известна под названием углежжения. Выход угля из дерева колеблется от 15 до 25% от веса дерева (см. XVIII, 247/48, приложение 2. О графите и алмазе см. соответствующие слова).

По своему внешнему виду уголь, графит и алмаз настолько различаются между собой, что с трудом можно поверить тому,  что химический состав этих тел одинаков. Свойства этих тел настолько различны, что их без труда можно различить даже в ничтожных количествах. В нижеследующей таблице сгруппированы данные, характеризующие различие свойств угля, графита и алмаза:

(а) Сажа, очищенная прокаливанием в струе хлора, затем подвергнутая сильному давлению и выдержанная в пустоте (Ле-Шателье и Вологдин).

(b) Этим удельным весом обладают различные образцы графита как естественного, так и искусственного, после особой обработки для удаления минеральных примесей и газов, содержащихся в графите (Ле-Шателье и Вологдин).

(с) Сажа, полученная при горении нефти, (С₁) — сажа при горении ацетилена, (С₂) — сажа, полученная при взрыве ацетилена (Муассан).

 (d) Цейлонский графит, (d₁) — графит, приготовленный из сахара, (d₂) — графит из чугуна (Муассан).

(е), (е₁), (е₂). Различные образцы природного алмаза (Муассан).

Для того, чтобы различить уголь, графит и алмаз, удобнее всего пользоваться или удельным весом или действием смеси крепкой азотной кислоты и бертолетовой соли (реакция Броди). Удельный вес является очень удобным средством, чтобы отличить алмаз от других разновидностей. Для итого пользуются йодистым метиленом (CH₂J₂) — жидкостью с удельным весом 3,39; в этой жидкости другие разновидности углерод всплывают, тогда как алмаз благодаря большему удельному весу опускается на дно — тонет. Еще характернее реакция Броди — обработка смесью азотной кислоты и бертолетовой соли: при действии этой смеси уголь окисляется в газообразную углекислоту, алмаз остается без изменения, а графит превращается в светло-желтую графитовую кислоту (С₁₄Н₂О₆).

Углерод  является самым трудноплавким элементом, ни при каких температурах он не может быть расплавлен. При наивысшей достижимой в настоящее время температуре — вольтовой дуги — он немного испаряется, но не плавится, причем уголь и алмаз превращаются при этом в графит. Как было указано, углерод способен вступать в соединение с различными элементами, образуя многочисленные соединения. Непосредственно он соединяется с кислородом, водородом, серой, фтором, кремнием, железом, марганцем, магнием, кальцием, алюминием и другими металлами. Косвенным путем могут быть получены соединения и с другими элементами: азотом, хлором, бромом и пр. При обыкновенной температуре углерод является телом очень устойчивым, не поддающимся действию различных элементов, но при высоких температурах он легко вступает в соединения. Наиболее важными из них являются; окислы СО₂, СО, С₃О₂, углеводороды СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂ и т. д., сероуглерод CS₂, карбиды Fe₃С, Мn₃С, SiС, СаС₂, MgС₂, АІ₄С₃ и т. д., циан (CN)₂, гаплоидные соединения СF₄, ССl₄, СВr₄ и т. д. В периодической системе углерод занимает место в четвертой группе, и формулы большинства соединений углерод отвечают четырехатомному углероду.

А. Байков.