Углеро'д (латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14 C с периодом полураспада (Т = 5,6×103 лет). Небольшие количества 14 C (около 2×10-10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14 N. По удельной активности изотопа 14 C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14 C широко используется в качестве изотопного индикатора .
Историческая справка. У. известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз — как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. Шееле , нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. У. был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum У. получил от carbo — уголь.
Распространение в природе. Среднее содержание У. в земной коре 2,3×10-2 % по массе (1×10-2 в ультраосновных, 1×10-2 — в основных, 2×10-2 — в средних, 3×10-2 — в кислых горных породах). У. накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% У., древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть У. литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов У. — 112; исключительно велико число органических соединений У. — углеводородов и их производных.
С накоплением У. в земной коре связано накопление и многих др. элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т.д. Большую геохимическую роль в земной коре играют CO2 и угольная кислота. Огромное количество CO2 выделяется при вулканизме — в истории Земли это был основной источник У. для биосферы.
По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает У. из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые — основной источник энергии.
Огромное геохимическое значение имеет круговорот У. (см. ниже раздел Углерод в организме и ст. Круговорот веществ ).
У. широко распространён также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.
Физико и химические свойства. Известны четыре кристаллические модификации У.: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. Графит — серо-чёрная, непрозрачная, жирная на ощупь, чешуйчатая, очень мягкая масса с металлическим блеском. Построен из кристаллов гексагональной структуры: а=2,462Å, c=6,701Å. При комнатной температуре и нормальном давлении (0,1 Мн/м2 , или 1 кгс/см2 ) графит термодинамически стабилен. Алмаз — очень твёрдое, кристаллическое вещество. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную решётку: а = 3,560 Å. При комнатной температуре и нормальном давлении алмаз метастабилен (подробно о структуре и свойствах алмаза и графита см. в соответствующих статьях). Заметное превращение алмаза в графит наблюдается при температурах выше 1400 °С в вакууме или в инертной атмосфере. При атмосферном давлении и температуре около 3700 °С графит возгоняется. Жидкий У. может быть получен при давлениях выше 10,5 Мн/м2 (105 кгс/см2 ) и температурах выше 3700 °С. Для твёрдого У. (кокс , сажа , древесный уголь ) характерно также состояние с неупорядоченной структурой — так называемый «аморфный» У., который не представляет собой самостоятельной модификации; в основе его строения лежит структура мелкокристаллического графита. Нагревание некоторых разновидностей «аморфного» У. выше 1500—1600 °С без доступа воздуха вызывает их превращение в графит. Физические свойства «аморфного» У. очень сильно зависят от дисперсности частиц и наличия примесей. Плотность, теплоёмкость, теплопроводность и электропроводность «аморфного» У. всегда выше, чем графита. Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см3 ). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома У. 2s2 2p2 . Для У. характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2sp3 . Поэтому У. способен в равной степени как притягивать, так и отдавать электроны. Химическая связь может осуществляться за счёт sp3 -, sp2 - и sp -гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов У. и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами У.
Уникальная способность атомов У. соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений У., изучаемых органической химией .
В соединениях У. проявляет степени окисления —4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C4- 2,60Å, C4+ 0,20Å. При обычных условиях У. химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» У., графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300—500 °С, 600—700 °С и 850—1000 °С с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO.
CO2 растворяется в воде с образованием угольной кислоты . В 1906 О. Дильс получил недоокись У. C3 O2 . Все формы У. устойчивы к щелочам и кислотам и медленно окисляются только очень сильными окислителями (хромовая смесь, смесь концентрированных HNO3 и KClO3 и др.). «Аморфный» У. реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз — при нагревании. Непосредственное соединение У. с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом У. не реагирует, поэтому многочисленные углерода галогениды синтезируют косвенным путём. Из оксигалогенидов общей формулы COX2 (где Х — галоген) наиболее известна хлорокись COCl2 (фосген ). Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и «аморфным» У. реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (Ni, Pt): при 600—1000 °С образуется в основном метан CH4 , при 1500— 2000 °С — ацетилен C2 H2 , в продуктах могут присутствовать также др. углеводороды, например этан C2 H6 , бензол C6 H6 . Взаимодействие серы с «аморфным» У. и графитом начинается при 700—800 °С, с алмазом при 900—1000 °С; во всех случаях образуется сероуглерод CS2 . Др. соединения У., содержащие серу (тиоокись CS, тионедоокись C3 S2 , сероокись COS и тиофосген CSCl2 ), получают косвенным путём. При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты — соли слабой тиоугольной кислоты. Взаимодействие У. с азотом с получением циана (CN)2 происходит при пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота. Среди азотсодержащих соединений У. важное практическое значение имеют цианистый водород HCN (см. Синильная кислота ) и его многочисленные производные: цианиды, гало-генцианы, нитрилы и др. При температурах выше 1000 °С У. взаимодействует со многими металлами, давая карбиды . Все формы У. при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2 , Mo2 C, WO, TaC и др.). У. реагирует при температурах выше 600— 800 °С с водяным паром и углекислым газом (см. Газификация топлив ). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300—400 °С взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C8 Me, C24 Me, C8 X (где Х — галоген, Me — металл). Известны соединения включения графита с HNO3 , H2 SO4 , FeCl3 и др. (например, бисульфат графита C24 SO4 H2 ). Все формы У. нерастворимы в обычных неорганических и органических растворителях, но растворяются в некоторых расплавленных металлах (например, Fe, Ni, Co).
Народнохозяйственное значение У. определяется тем, что свыше 90% всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо , главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10% добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза , для получения пластических масс и др.
О получении и применении У. и его соединений см. также Алмаз , Графит , Кокс , Сажа , Углеродистые огнеупоры , Углерода двуокись , Углерода окись , Карбонаты .
Б. А. Поповкин.
У. в организме. У. — 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 У. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение жизни ).
Уникальная роль У. в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между атомами У., а также между У. и др. элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность У. образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. атомами У. создаёт 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 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 У. 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 У. служили метан (CH4 ) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического У., за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (CO2 ), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO- 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) У. (в форме CO2 ) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CO2 ). 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 У. 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 др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника У. углеводороды нефти,— одна из важных современных научно-технических проблем.
Содержание У. 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. В процессе жизнедеятельности организмов, в основном за счёт тканевого дыхания , происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2 . У. выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть У. вновь превращается в CO2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот У. в природе (см. Круговорот веществ ). Значительная часть У. минерализуется и образует залежи ископаемого У.: каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основные функции — источника У.— CO2 , растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе CaCO3 У. образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения У., как HCN, CO, CCl4 , преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.
Помимо стабильных изотопов У., в природе распространён радиоактивный 14 C (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри ). С использованием изотопов У. в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота У. в природе (см. Изотопные индикаторы ). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации H14 CO- 3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14 C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.
Н. Н. Чернов.
Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. — Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.
Углерода галогениды
Углеро'да галогени'ды, соединения углерода с галогенами. У. г. обычно рассматривают как производные углеводородов, в которых водород полностью замещен на галоген.
Простейшими У. г. являются тетрагалогениды общей формулы CX4 , молекулы которых имеют тетраэдрическое строение с расстояниями С—F, С—Сl, С—Вr и С—I, соответственно: (Å) 1,36; 1,76; 1,94; 2,12, и энергиями связи (кдж/моль ): 487; 340: 285; 214 или в ккал/моль 116; 81; 68; 51. При обычных условиях CF4 — газ (tkип —128 °С), CCl4 — жидкость (tпл —22,9 °С, tkип 76,8 °C), CBr4 и Cl4 — твёрдые тела (tпл 93,7 и 171 °С). Все тетрагалогениды практически нерастворимы в воде и растворимы в органических растворителях. В соответствии с уменьшением энергии связи устойчивость CX4 падает, а химическая активность возрастает при переходе от фтора к иоду. CF4 и CCl4 устойчивы к нагреванию и действию воздуха, света, кислот. Cl4 легко разлагается при нагревании. Только CF4 может быть получен непосредственно взаимодействием элементов. Один из способов синтеза CCl4 и CBr4 — реакция CS2 с галогенами. Cl4 получают при взаимодействии CCl4 с иодидами алюминия, висмута и др. металлов. Из тетрагалогенидов углерода наибольшее значение имеет четырёххлористый углерод . Известны также смешанные У. г., например CClF3 , CCBr2 Cl2 , С2 Вг2 F4 . Многие У. г. широко применяют в различных отраслях техники, например дифтордихлорметан CCl2 F2 и трихлорфторметан CCl3 F как хладоагенты в холодильных установках (фреоны ), тетрафторэтилен C2 F4 и трифторхлорэтилен C2 ClF3 — мономеры в производстве фторопластов , гексахлорэтан C2 Cl6 — заменитель камфоры, некоторые фторхлор-содержащие У. г.— компоненты синтетических масел .
Лит.: Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975.
Б. А. Поповкин.
Углерода двуокись
Углеро'да двуо'кись, ангидрид угольной кислоты, углекислый газ, CO2 , оксид С (IV), высший окисел углерода. В 1756 Дж. Блэк показал, что при разложении карбоната магния выделяется газ — «связанный воздух» (его состав установил в 1789 А. Лавуазье ). У. д. бесцветный газ, имеющий слегка кисловатые запах и вкус; плотность 0,0019 г/см3 (0 °С. 0,1 Мн/м2 ), tпл —56,6 °С. tkип —78,5 °С, критическая температура 31 °С, критич. давление 7,62 Мн/м2 (75,2 кгс/см2 ). При атмосферном давлении и —78,5 °С, минуя жидкое состояние, затвердевает в белую снегообразную массу («сухой лёд»). Жидкая У. д. существует при комнатной температуре лишь при давлении больше 5,85 Мн/м2 (58,5 кгс/см2 ). Плотность жидкой CO2 0,771 г/см2 (20 °С), твёрдой 1,512 г/см3 . Молекула газообразной У. д. имеет симметричную форму О=С=О с расстоянием С—О 1,162 Å. Твёрдая CO2 кристаллизуется в кубической гранецентрированной решётке, а=5,62 Å. У. д. термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температурах выше 2000 °С. Заметно растворима в воде (по массе %): 0,335 (0 °С); 0,169 (20 °С) и частично взаимодействует с ней с образованием угольной кислоты H2 CO3 . Растворяется в органических растворителях: ацетоне, бензоле, хлороформе, спиртах. Энергично соединяется с основаниями, давая карбонаты . CO2 не горит и не поддерживает горения. Только очень активные металлы восстанавливают её при высоких температурах (например, магний — при 600 °С, кальций — при 700 °С). CO2 взаимодействует с раскалённым углём: CO2 + С =2СО (реакция имеет большое значение в металлургии); с аммиаком при 160— 200 °С и давлении 10—40 Мн/м2 (100—400 кгс/см2 ): CO2 + 2NH3 = CO (NH2 )2 + + H2 O; в присутствии окиси меди с водородом, образуя метан.
У. д. входит в состав воздуха: 0,03 объёмных %, общее содержание 2,3×1012 т, в гидросфере, находящейся в равновесии с атмосферой, 1,4×1014 т. CO 2 образуется и поступает в атмосферу при горении топлив, гниении органических остатков, брожении, дыхании животных и человека. В результате индустриальных загрязнений содержание У. д, в атмосфере промышленных городов намного превышает предельно допустимые нормы. Поэтому в ряде технически развитых стран (в том числе и в СССР) осуществляются мероприятия по снижению содержания У. д. в атмосферном воздухе (см. Охрана природы ). У. д. необходима для развития растений, поглощающих её из атмосферы в процессе фотосинтеза . Атмосферы планет Марса и Венеры содержат У. д. в качестве основного компонента.
Получают У. д. в промышленности главным образом при обжиге известняка (900—1300 °С) с одновременным получением извести; очистку 002 осуществляют поглощением её растворами соды, поташа или этаноламина. Хранят и перевозят У. д. в сжиженном состоянии под давлением 6 Мн/м2 (60 кгс/см2 ) в стальных баллонах. В лаборатории CO2 обычно получают взаимодействием соляной кислоты с мрамором.
Применяется У. д. в производстве газированных вод, пива и сахара. CO2 идёт на изготовление «сухого льда», который служит для хранения и перевозки скоропортящихся пищевых продуктов. В химической промышленности CO2 расходуется на получение соды, мочевины, оксикарбоновых кислот, применяется также как теплоноситель в графитовых реакторах. У. д. используется для тушения пожаров и при перевозке огнеопасных веществ.
Б. А. Поповкин.
В сельском хозяйстве У. д. используют как удобрение. Недостаток её в воздухе, что часто наблюдается в условиях защищенного грунта, особенно при гидропонной культуре (см. Гидропоника ), снижает интенсивность фотосинтеза и урожай. Для улучшения углеродного питания растений в теплицах и парниках проводят газацию, то есть в дневное время подают в них газообразную У. д. (из баллонов) или очищенные продукты каталитического горения природного горючего газа и твёрдого топлива (содержат до 15% CO2 ). Источником газообразной У. д. может быть твёрдая У. д. («сухой лед»), куски которой раскладывают в помещении, а также органические и минеральные удобрения, выделяющие её при разложении. Эффективность удобрения У. д. зависит от условий минерального питания растений, освещённости, температуры почвы и воздуха.
В организме человека и животных У. д. вместе с бикарбонатами образует важную буферную систему крови. Повышение уровня парциального давления У. д. в крови увеличивает прочность связи кислорода с гемоглобином. Бездействуя (в том числе непосредственно) на центры продолговатого мозга, У. д. участвует в регуляции дыхания и кровообращения. Смесь кислорода (95%) и У. д. (5%) — так называемый карбоген — используют для лечения отравлений наркотиками, окисью углерода и др. В больших концентрациях У. д. токсична, вызывает гипоксию . Длительное (до нескольких сут ) вдыхание У. д. даже при концентрации 1,5—3% вызывает головную боль, головокружение, тошноту. При концентрации выше 6% (так называемый критический уровень) теряется работоспособность, появляются сонливость, ослабление дыхания и сердечной деятельности, возникает опасность для жизни. Накопление У. д. в воздухе с одновременным снижением содержания кислорода может наблюдаться в замкнутых, плохо вентилируемых пространствах (например, в шахтах, сточных колодцах), в помещениях, где осуществляются процессы брожения (например, на пивоваренных заводах). Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, провести искусственное дыхание. В воздухе жилых и общественных зданий накопление У. д. не достигает критических величин; её концентрация — один из санитарно-гигиенических показателей степени чистоты воздушной среды.
В. Ф. Кириллов.
Лит.: Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., т. 1— 2, М., 1973: Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975.
Углерода окись
Углеро'да о'кись, угарный газ CO, оксид С (II), соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха. У. о. впервые выделил французский врач Ж. де Лассон в 1776 при нагревании древесного угля с окисью цинка. Плотность У. о. 0,00125 г/см3 при 0 °С и давлении 0,1 Мн/м2 (1 кгс/см2 ), tпл —205 °С, tkип —191,5 °С, критическая температура — 140°C, критическое давление 3,46 Мн/м2 (34,6 кгс/см2 ). Формально углерод в У. о. имеет степень окисления +2, однако повышенная прочность молекулы CO [энергия диссоциации 1036 кдж/моль (247 ккал/моль )] и малое межъядерное расстояние (1,128Å) заставляют предположить, что атомы кислорода и углерода связаны дополнительно донорно-акцепторной связью .
У. о. — несолеобразующий окисел, не взаимодействующий при обычных условиях с водой, кислотами и щелочами. У. о. характеризуется восстановительными свойствами и склонностью к реакциям присоединения. Так, при облучении светом и в присутствии катализаторов CO соединяется с хлором (см. Фосген ); а при нагревании — с кислородом, давая двуокись CO2 ; с серой образует сероокись COS, с некоторыми металлами — карбонилы металлов , например Ni (CO)4 , Fe (CO)5 . У. о. при повышенных температурах восстанавливает окислы металлов до свободных металлов (Fe; Pb; Ni; Cu и др.) и взаимодействует с водородом, давая, в зависимости от условий реакции, метан, смесь высших спиртов, альдегиды, кетоны.
В атмосфере У. о. содержится в незначительных количествах. Встречается в виде небольших включений в пластах каменного угля. Всегда образуется в результате сгорания углерода или его соединений при недостатке воздуха и в значительных количествах присутствует в топочных газах, выхлопных газах автомобилей (2—10 объёмных % ), табачном дыме (0,5—1 объёмных %), являясь таким образом источником загрязнения атмосферы. Поэтому во многих странах принимаются меры по снижению концентрации У. г. в атмосферном воздухе промышленных городов (см. Охрана природы ).
Получают У. о. в промышленности при взаимодействии раскалённого угля с углекислым газом: С + CO2 = 2CO или водяным паром: С + H2 O = CO + H2 . Таким образом производят генераторный и водяной газы, использующиеся как газообразное горючее (см. Газификация топлив ). В лаборатории CO получают нагреванием при 100 °С муравьиной кислоты с серной кислотой; при этом происходит реакция: HCOOH = H2 O + CO.
Применяют У. о. в химической промышленности для синтеза спиртов, углеводородов, альдегидов и органических кислот, а также для получения синтетического жидкого топлива . См. Основной органический синтез ; Нефтехимический синтез .
Отравления У. о. возможны на производстве и в быту: в доменных, мартеновских, литейных цехах; при испытании двигателей, использовании топливных газов для сушки и подогрева; в химической промышленности; в гаражах; при дровяном отоплении и т.п. Поступая в организм через органы дыхания, У. о. взаимодействует с гемоглобином и образует карбоксигемоглобин , не обладающий способностью переносить кислород к тканям. Наряду с этим уменьшается коэффициент утилизации кислорода тканями. Возникают гипокапния, затруднение диссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания и т.д. Защитную роль играет железо плазмы крови: его соединение с У. о. препятствует образованию карбоксигемоглобина и способствует извлечению У. о. из тканей.
При острых отравлениях наблюдается головная боль, головокружение, тошнота, рвота, слабость, одышка, учащённый пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги, кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения и дыхания, поражение зрительного нерва и т.д.; на 2—3-й сут может развиться токсическая пневмония. Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, растереть грудь; вдыхание паров нашатырного спирта, горячее питье. При хронических отравлениях появляются головная боль, головокружение, бессонница, возникает эмоциональная неустойчивость, ухудшаются память, внимание. Возможны органические поражения центральной нервной системы, сосудистые спазмы, повышение количества эритроцитов в крови. Профилактика: контроль за герметичностью газопроводов, состоянием местной вентиляции, удалением выхлопных газов, содержанием У. о. в воздухе рабочей зоны; аэрация зданий; соблюдение техники безопасности при взрывных работах; использование противогазов; медицинское наблюдение за рабочими соответствующих производств; в быту — правильное пользование газовыми горелками и печным отоплением.
А. А. Каспаров.
Лит.: Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Тиунов Л. А., Кустов В. В., Токсикология окиси углерода, Л., 1969.
Углеродистая сталь
Углеро'дистая сталь, сталь , не содержащая легирующих компонентов. В зависимости от содержания углерода У. с. подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают У. с. обыкновенного качества и качественную конструкционную. К 1-й группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во 2-ю входят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка .
У. с. выплавляют в мартеновских, двухванных, дуговых печах и кислородных конвертерах. Для раскисления У. с. используют ферромарганец, ферросилиций, феррованадий, алюминий, титан и др.; по степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную У. с. Для улучшения физико-химических и технологических свойств применяют микролегирование У. с. титаном, цирконием, бором, редкоземельными элементами. В результате микролегирования сталь приобретает мелкозернистую структуру, уменьшается степень зональной ликвации , снижаются загрязнённость стали неметаллическими включениями и склонность к образованию трещин при горячей пластической деформации, повышается ударная вязкость при отрицательных температурах, что даёт возможность применять У. с. в различных климатических зонах (от — 40 до 60 °С). У. с. разливают на слитки (сверху, сифоном) и заготовки (на машинах непрерывного литья); масса слитков достигает 35 т. Кроме того, У. с. используется для получения стальных отливок. Литая У. с. отличается от деформируемой стали подобного состава несколько меньшими пластичностью и ударной вязкостью.
У. с. — наиболее распространённый вид чёрных металлов ; на её долю приходится (середина 70-х гг.) свыше 75% всей стальной продукции чёрной металлургии СССР.
Лит.: Смоляренко Д. А., Качество углеродистой стали, 2 изд., М., 1969; Качество слитка спокойной стали, М., 1973.
Д. А. Смоляренко.
Углеродистые огнеупоры
Углеро'дистые огнеупо'ры, состоят почти целиком из углерода либо содержат 5—70% С вместе с др. огнеупорными компонентами. Углеродистые изделия изготовляют из кокса, термоантрацита и каменноугольной смолы обжигом в восстановительной среде при 1100—1450 °С (неграфитированные) или около 2500 °С (графитированные). Графитовые изделия получают из природного или искусственного графита. Углеродсодержащие (графитсодержащие) огнеупоры формуют различными способами из смесей графита с глиной, шамотом, др. огнеупорными порошками и обжигают при 800—1350 °С или делают безобжиговыми. У. о. имеют кажущуюся плотность 1500—2000 кг/м3 , пористость преимущественно 15—30%, высокую термостойкость . В окислительной среде У. о. сравнительно быстро окисляются, форма изделий — блоки различных размеров и фасонные изделия (пробки, стаканы, трубы, тигли и др.). Углеродистые изделия применяются в кладке горна и лещади доменных печей, подин печей цветной металлургии, печей по производству карбида кальция; графитированные и графитовые — в печах для производства специальных сплавов, в ракетных двигателях; графито-алюмосиликатные — при разливке стали, плавке цветных металлов и т.д. Находят применение также смеси — пасты из углеродистых или графитовых порошков со смоляным связующим.
Лит.: Химическая технология керамики и огнеупоров, М., 1972.
А. К. Карклит.
Углеродная единица
Углеро'дная едини'ца, унифицированная атомная единица массы , составляющая массы атома изотопа углерода 12 C.
У. е. была предложена в 1959 Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC), принята в 1960 Международным союзом теоретической и прикладной физики (IUPAP) и утверждена на конгрессе IUPAC в 1961. У. е. равна (1,66043 ± 0,00031)×10-24 г.
Углеродные волокна
Углеро'дные воло'кна, волокна, состоящие в основном из углерода. У. в. обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900 °С (такие У. в. содержат 85—90% углерода), 900—1500 °С (95—99%) или 1500—3000 °С (более 99%). Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.
У. в. могут иметь разнообразную текстильную форму, определяемую чаще всего формой исходного сырья (непрерывные или штапельные нити, жгуты, ленты, войлок, ткани и др.). Возможна также переработка У. в. в тканые и нетканые материалы с использованием обычного текстильного оборудования.
У. в. имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения У. в. в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе У. в. изготавливают армированные пластики, которые отличаются высокой абляционной стойкостью (см. Углеродопласты ).
У. в. устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350 °С. Нанесение на У. в. тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости У. в. применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.
Изменяя условия термообработки, можно получить У. в. с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2×10-3 до 106 ом ×см ) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
Активацией У. в. получают материалы с большой активной поверхностью (300—1000 м2 /г ), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.
Обычно У. в. имеют прочность порядка 0,5—1 Гн/м2 (50—100 кгс/мм2 ) и модуль 20—70 Гн/м2 (2000—7000 кгс/мм2 ), а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м2 (250—350 кгс/мм2 ) и модуль 200—450 Гн/м2 (20×103 —45×103 кгс/мм2 ). Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/м3 ) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств У. в. превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных У. в. с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе У. в. и керамических связующих, У. в. и углеродной матрицы, а также У. в. и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.
Лит.: Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.
А. А. Конкин.
Углеродовский
Углеро'довский, посёлок городского типа в Ростовской области РСФСР, подчинён Гуковскому горсовету. Расположен в 2 км от железнодорожного узла Замчалово. Добыча угля.
Углеродопласты
Углеро'допла'сты, карбопласты, углепластики, пластмассы, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна (в виде непрерывного жгута, ленты, мата или короткого рубленого волокна). Связующими для таких материалов служат синтетические полимеры, например эпоксидные, полиэфирные, феноло-формальдегидные смолы, полиимиды, кремнийорганические полимеры (полимерные У.), синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные У.), и так называемый «пиролитический углерод» (пироуглеродные У.).
Изделия из У. можно формовать всеми способами, применяемыми при переработке слоистых пластических масс . Наиболее распространён следующий метод: углеродный наполнитель пропитывают расплавом или раствором связующего (например, в спирте, в углеводородах), подсушивают, получая полуфабрикат (препрег), из которого выкраивают заготовки, собирают из них по форме изделия пакет и прессуют, как правило, на гидравлических прессах, в автоклавах или пресс-камерах (удельное давление не должно превышать 2,0— 2,5 Мн/м2 , или 20—25 кгс/см2 , из-за высокой хрупкости углеродного волокна). Препрег в виде пропитанной ленты или жгута используют также при получении изделий намоткой. Коксованные У. получают пиролизом полимерных У. при 300—1500 °С или 2500—3000 °С. При изготовлении пироуглеродных У. наполнитель, не пропитанный связующим, выкладывают по форме изделия, помещают в печь, в которую пропускают обычно метан. При 1100 °С и остаточном давлении 2,6 кн/м2 (20 мм рт. см. ) он разлагается, и образующийся «пиролитический углерод» осаждается на углеродных волокнах, связывая их.
У. характеризуются сочетанием высокой прочности и жёсткости с малой плотностью, низкими температурным коэффициентом линейного расширения (благодаря чему при повышенных температурах У. имеют хорошую стабильность размеров) и коэффициент трения, высокими тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическому, химическому и радиационному воздействию. У. превосходят др. слоистые пластики (например, стеклопластики , асбопластики ) и металлы по статической и динамической выносливости, имеют высокую вибропрочность (например, усталостная прочность при изгибе У. на основе эпоксидного связующего более 400 Мн/м2 , или 40 кгс/мм2 , вибропрочность 480 Мн/м2 , или 48 кгс/мм2 ). У. обладают высокой анизотропией свойств. Пироуглеродные и коксованные У. отличаются также хорошими абляционными свойствами (см. Абляция ). Однако ударная прочность У. меньше, чем, например, у стеклопластиков.
У. — важные композиционные материалы , используемые в авиастроении (обеспечивают снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолёта на 15—50%). Из У. изготавливают детали самолётов скоростной авиации и космических летательных аппаратов, спортинвентарь (например, лыжи), химическое оборудование; У. используют в судо- и автомобилестроении. Коксованные и пироуглеродные У. применяют для внешней теплозащиты возвращаемых космических аппаратов, для внутренней теплозащиты элементов ракетных двигателей (сопла, камеры сгорания).
И. П. Хорошилова.
Углеуральский
Углеура'льский, посёлок городского типа в Пермской области РСФСР, подчинён Губахинскому горсовету. Расположен на западном склоне Среднего Урала, на автодороге Соликамск — Кунгур, в 3 км от железнодорожная станции Половинка (на линии Соликамск — Чусовская) и в 4 км от железнодорожной станции Углеуральская (на линии Лёвшино — Соликамск). 17,2 тыс. жителей (1976). Добыча угля. Филиал швейной фабрики.
Угли ископаемые
У'гли ископа'емые — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав У. и. входят: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага.
У. и. залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до чёрного.
I. Общие сведения
У. и. — один из основных видов энергетического сырья; доля их участия в мировом топливно-энергетическом балансе 30—35%. С 1950 по 1974 мировая добыча У. и. увеличилась в 1,7 раза, превысив 3 млрд, т.
У. и. составляют основную часть (87,5%) прогнозных ресурсов ископаемого топлива Земли, оцениваемых величиной 12,8 триллиона т топлива условного (тут ). СССР обладает крупнейшими ресурсами У. и.; разведанные и прогнозные геологические запасы У. и., отвечающие современным требованиям по качеству и мощности разрабатываемых пластов, составляют 5,7 триллиона т (1968), или 4,6 триллиона тут.
Основные направления промышленного использования У. и.: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление У. и. для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высокоазотистых гуминовых кислот для удобрений. Из У. и. извлекаются германий, галий (см. Рассеянных элементов руды ). Перспективно извлечение серы из У. и., использование высокоглинозёмистых зол и отходов обогащения для производства алюминия, в качестве керамического и огнеупорного сырья, строительных материалов, средства очистки промышленных сточных вод. Возможное использование У. и. в промышленности определяется их составом и свойствами, характеризующимися большим разнообразием — следствием различий в исходном материале и условиях его преобразования.
II. Происхождение, состав и свойства
По составу основного компонента — органического вещества — У. и. подразделяются на 3 генетические группы: гумолиты (гумусовые угли), сапропелиты и сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их происходило преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озёр и рек) — автохтонное накопление; более ограниченным было отложение при сносе с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны растительного материала и продуктов его преобразования — аллохтонное накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф ; при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Анаэробные (в водной среде) условия приводили к гелификации органического материала — основы образования блестящих — витринитовых, или гелинитовых, углей; аэробные условия и окислительная среда способствовали фюзенизации тканей — образованию волокнистых и сажистых фюзинитовых углей. Элювиация — вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей — сопровождалась обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т.п.), характерных для матовых лейптинитовых углей. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими своё строение и очертания), выделяются в особую группу — липтобиолиты (см. Каустобиолиты ).
Сапропелиты (сапропелевые угли) — продукт преобразования низших растений и микроорганизмов планктона, накапливавшихся в органогенном иле озёр и морских лагун. На равных стадиях преобразования органического вещества сапропелиты отличаются от гумолитов более высоким выходом летучих веществ (60—80%) и содержанием водорода (8— 12%).
Сапрогумолиты — переходная разность У. и., продукт преобразования высших, а также низших растений. Сапропелиты и сапрогумолиты обычно залегают в виде прослоев и линз среди гумусовых углей. Высокозольные разности сапропелитов называют горючими сланцами ; они нередко образуют самостоятельные бассейны (например, Прибалтийский сланцевый бассейн ) и месторождения.
Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конкреций. Источником минеральных примесей в У. и. могут быть: неорганические составные части растений-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. Состав минеральных примесей — кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, Ti, редкие и рассеянные элементы (U, Ge, Ga, V и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании У. и. превращается в золу.
Различия в исходном материале, степени обводнённости торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных генетических типов У. и. (см. Углепетрография ). Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в бурый уголь . У. и., включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углём, называемые лигнитами.
Бурые угли — одна из разновидностей У. и. — имеют широкое распространение. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах У. и.— 42%. Неглубокое залегание и большая мощность угольных пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относительно низкое качество сырья.
В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли , а последние — в антрациты . Необратимый процесс постепенного изменения химического состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют 3 основных вида метаморфизма углей: региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении У. и. в глубь земной коры; термальный — под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие её отложения; контактовый — под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в угольные пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признаётся возможным метаморфизм углей за счёт повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий — динамометаморфизма.
Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; в определённых закономерностях с экстремальными значениями на средних стадиях углефикации изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твёрдость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства У. и. (рис. 1 ). Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ V Г , содержание углерода, микротвёрдость и др. особенности химического состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ®.
