Самата химия на живота. Образува повече съединения от всеки друг елемент — от диаманта и графита до ДНК и графена.

Въглерод (C) — химичен елемент №6

Ако трябва да изберем един единствен елемент, без който животът е буквално невъзможен, изборът е лесен. Въглеродът е гръбнакът на всяка живяла клетка, всяко изкопаемо гориво и всяка пластмасова бутилка. Но е и нещо друго — единственият елемент, способен да се нарежда в безкрайно дълги вериги, пръстени и мрежи, раждайки молекули с почти неизчерпаемо разнообразие.

Атомен номер	6
Атомна маса	12.011 u
Категория	Реактивен неметал
Период / Група	2 / 14
Електронна конфигурация	[He] 2s² 2p²
Електроотрицателност	2.55 (по Полинг)
Плътност (графит)	2.267 g/cm³
Точка на топене	3823 K (3550°C)
Точка на кипене	4098 K (3825°C)
Откривател	Познат от древността
Година	ок. 3750 пр.Хр.

История на откриването

Въглеродът е толкова стар в човешкото съзнание, че думата „откривател" губи смисъл. Хората са го ползвали хилядолетия преди да знаят, че изобщо съществуват елементи. Въглените от пожарищата са помагали на художниците в пещерата Ласко да рисуват бикове по стените — преди около 17 000 години. Около 3750 г. пр.Хр. египтяните и шумерите вече са знаели как да получават въглен от дърво чрез бавно горене без въздух и са го използвали за топене на метали. Диамантът — друга форма на чист въглерод — е известен в Индия от поне 2400 години и отдавна е бил смятан за нещо напълно различно от сажди или въглен. Идеята, че диамантът и въгленът са едно и също вещество, би изглеждала абсурдна на всеки средновековен учен.

Истинското разпознаване на въглерода като самостоятелен елемент идва с Антоан Лавоазие. Около 1772 г. французинът провежда експерименти, при които изгаря диамант под стъклен похлупак и установява, че продуктът е единствено въглероден диоксид — точно като при горенето на обикновен въглен. Лавоазие включва „carbone" в своята знаменита таблица на елементите от 1789 г. Малко по-късно, в началото на XIX век, английският химик Смитсън Тенант окончателно доказва, че диамантът и графитът са чисти форми на един и същи елемент. Латинската дума carbo просто означава „въглен" — нищо поетично, само утайката от огъня.

Истинската революция обаче идва много по-късно — когато химиците започват да разбират органичната химия. Фридрих Вьолер синтезира урея от неорганични вещества още през 1828 г. и разбива мита, че въглеродните съединения могат да се произведат само от живи организми. Оттогава органичната химия — буквално химията на въглерода — се разраства до наука, по-голяма от всяка друга химична дисциплина.

Физични свойства

Физиката на въглерода е история за това колко различен може да бъде един елемент в зависимост от начина, по който атомите му са наредени. Графитът — сивочерното вещество в молива — е мек, проводи ток и се разслоява лесно, защото въглеродните атоми са наредени в плоски листове, свързани помежду си с нищожно слаби сили. Диамантът е точно обратното: прозрачен, твърд колкото нищо друго в природата (10 по скалата на Моос), и е изолатор. Тук всеки въглероден атом е свързан ковалентно с четири съседа в трипространствена мрежа, от която е почти невъзможно да извадиш нещо. При нормални условия диамантът е кинетично стабилен, но термодинамично графитът е по-стабилната форма — с напрежение ли спи в кутийката си.

Точките на топене и кипене на въглерода са сред най-високите за всеки елемент — 3550°C и 3825°C съответно. Тази огнеупорност не е случайна: ковалентните връзки C–C са едни от най-здравите в цялата химия. Плътността варира силно между алотропите: графитът е около 2.09–2.23 g/cm³, докато диамантът достига 3.51 g/cm³. А графенът — отделен монослой от графит — е практически двуизмерен материал с изключителна механична якост при маса, близка до нулата.

Химични свойства

Четирите валентни електрона на въглерода са причината той да образува повече съединения от всеки друг химичен елемент. Въглеродът може да гради единични, двойни и тройни ковалентни връзки, да се свързва сам със себе си в произволно дълги вериги и разклонения и да формира стабилни съединения с водород, кислород, азот, сяра, халогени и метали. Резултатът е органичната химия — над 10 милиона известни съединения и милиони нови, синтезирани всяка година.

Основните окислителни степени на въглерода са –4 (в метан CH₄), 0 (в елементарно състояние), +2 (в CO) и +4 (в CO₂ и карбонати). Въглеродният диоксид е може би най-известното му съединение — стабилен газ, продукт на горенето, дишането и вулканичната активност. Въглеродният оксид (CO) е по-тих и далеч по-опасен: безцветен, безмирисен и смъртоносен дори при ниски концентрации, защото се свързва с хемоглобина много по-здраво от кислорода.

Карбонатите — соли на въглеродната киселина — са навсякъде в геологията. Варовикът, мраморът и кредата са форми на калциев карбонат (CaCO₃). Карбидите, в които въглеродът е свързан с метали, са твърди и огнеупорни: волфрамов карбид се използва в свредла, а силициевият карбид издържа при температури, при които стоманата вече е течност.

Къде го срещаме

Молив в ръката ти — там е графитът. Диамант на годежен пръстен — въглерод в кристална решетка. Но тези примери са само декорацията. Бензинът, дизелът и природният газ са въглеродни съединения от изкопаем произход. Пластмасите — полиетилен, РЕТ, поливинилхлорид — са дълги въглеродни вериги с различни заместители. Лекарствата, багрилата, взривните вещества, пестицидите, хранителните добавки: почти всичко синтетично, което влиза в контакт с живота ни, е органична химия, тоест химия на въглерода.

Активният въглен е форма на въглерода с огромна порьозност — един грам може да има вътрешна повърхност от 3000 квадратни метра. Точно затова го слагат в противогазните маски, в пречиствателните системи за вода и в таблетките срещу отравяне. Въглеродните влакна (карбонови влакна) са материалът, от който се правят шасита на Формула 1, корпуси на самолети и рамки на велосипеди — с якост на стоманата при пета от нейната маса. Графенът, откритият едва през 2004 г. материал, е само на един атом дебелина и е по-здрав от всичко, измервано досега, с електронна подвижност, превишаваща силициевата.

Въглеродът е и основата на въглеродния цикъл — планетарния процес, при който CO₂ се поглъща от растенията, влиза в органична материя, освобождава се при горене и разлагане и се връща в атмосферата. Нарушаването на този цикъл от изгарянето на изкопаеми горива е в сърцевината на климатичната криза — нещо, което всеки може да провери в по-широкия контекст на периодичната таблица на елементите.

Биологична роля

Около 18% от масата на човешкото тяло е въглерод — вторият по масов дял елемент след кислорода. Но числото не разказва историята. Въглеродът е структурният скелет на всяка биомолекула: на белтъците, на нуклеиновите киселини, на мазнините, на захарите. ДНК е въглеродна верига, увита около себе си и кодираща информация с азотни бази — но без въглеродната рамка не би съществувала. Клетъчната мембрана е двоен слой от фосфолипиди — молекули с дълги въглеродни опашки, чиято хидрофобност разделя вътрешността на клетката от средата около нея.

Глюкозата — C₆H₁₂O₆ — е универсалното клетъчно гориво. При нейното окисляване се освобождава енергията, която задвижва всяка мускулна контракция, всяка нервна импулсна и всеки биосинтез. Въглеродният скелет е толкова централен за живота, че биохимията понякога се описва просто като „химията на въглеродните съединения в живи системи".

Любопитни факти

Диамантът гори. При достатъчно висока температура и достъп на кислород диамантът изгаря напълно и не оставя нищо освен CO₂. Точно това доказа Лавоазие с огнени опити през XVIII век — и вероятно не малко ювелири биха предпочели да не знаят.

Въглерод-14 е природен часовник. Радиоактивният изотоп ¹⁴C се образува непрекъснато в горните слоеве на атмосферата от космически лъчи. Всеки жив организъм го поглъща и поддържа постоянна концентрация. При смъртта поглъщането спира и ¹⁴C се разпада с полуживот от 5730 години. Именно тази особеност позволява радиовъглеродното датиране — метод, с който определяме възрастта на кости, дърво и текстил от хиляди години назад.

Фулерените — молекули с форма на футболна топка. През 1985 г. Харолд Крото, Робърт Кърл и Ричард Смоли открИват C₆₀ — молекула от 60 въглеродни атома, наредени в дванадесет петоъгълника и двадесет шестоъгълника, точно като кожата на футболна топка. Нарекли я бъкминстерфулерен — по архитекта Бъкминстър Фулър, известен с геодезичните си куполи. Откритието им носи Нобелова награда по химия за

Разгледайте всички Химия в Uchitel.bg →