Страница 22 из 83
В чем же причина огромной прочности алмаза? Связь атомов углерода между собой отличается огромной устойчивостью. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими, причем образуется симметричная фигура тетраэдра. Чтобы оторвать хотя бы один атом углерода с поверхности алмаза, нужно разорвать не менее двух углерод-углеродных связей. Такая прочная химическая связь и взаимное расположение атомов придают кристаллам алмаза их удивительную твердость.
Но стоит лишь «перестроить» кристаллическую решетку алмаза, как исчезает его твердость, и вместо прекрасного блестящего кристалла мы получаем мягкий минерал. Это графит.
В кристаллической решетке графита каждый атом углерода тоже соединен с четырьмя другими, но в противоположность алмазу все эти атомы лежат в одной плоскости. Последние связаны между собой слабо, поэтому графит легко расслаивается на чешуйки, отдельные его плоскости скользят друг вдоль друга. Это свойство позволяет применять его в качестве твердой смазки.
Графит имеет серый цвет и абсолютно непрозрачен. Он хорошо проводит электрический ток.
В природе графит образует целые месторождения. Его можно получить и искусственно: надо нагревать чистый уголь до нескольких тысяч градусов без доступа воздуха. Если в аналогичные условия (при температуре около 2000 °C) поместить алмаз, он переходит в графит. Это свидетельствует, что графит — наиболее устойчивая при обычных условиях форма углерода.
Сейчас графит находит большое применение в промышленности. Из него делают различные трущиеся контакты, электроды для электропечей, угли для прожекторов, тигли для плавки металлов, наконец, стержни самых обычных карандашей. Но больше всего чистого графита (десятки тысяч тонн) используется в атомных реакторах.
Ученые обнаружили, что чистый графит почти не поглощает нейтроны, образующиеся при делении урана, и в то же время очень хорошо замедляет их. Кроме того, графит дешев, легко обрабатывается, не боится высокой температуры и излучений реактора. Все эти качества сделали его незаменимым материалом в атомной промышленности.
Третья аллотропическая форма углерода встречается в природе в виде обычной сажи, а также каменного и древесного угля. Правда, каменный уголь — это не совсем чистый углерод. Лучшие его сорта — антрациты — содержат не более 95 процентов углерода, остальное приходится на примеси: соединения углерода с водородом, серу и негорючие вещества (различные соединения кремния), дающие при сгорании золу и шлак.
Уголь широко используется в металлургии для выплавки чугуна. Чем выше качество угля, тем чище получается чугун. Поэтому уголь вначале стараются очистить от примесей, перерабатывая его в кокс. Для приготовления кокса уголь сильно нагревают без доступа воздуха; летучие органические вещества и часть серы испаряются, давая коксовый газ, который сам по себе является ценным сырьем. Оставшийся после прокаливания каменноугольный кокс идет на металлургические заводы.
Издавна для выплавки чугуна и стали применяли и древесный уголь. Раньше, когда не умели приготовлять из каменного угля кокс, весь чугун выплавляли с помощью древесного угля. Почти все леса Англии были сведены на уголь для металлургической промышленности.
Древесный уголь снискал себе славу и как великолепный поглотитель газов. Этой способностью обладают многие вещества, но древесный (особенно березовый) уголь оказывается вне конкуренции. Один объем древесного угля способен поглотить при комнатной температуре до 200 объемов воздуха и еще большее количество ядовитых газов: хлора, фосгена и других — так велика его пористость. Поэтому древесный уголь с успехом используется в противогазах, заменяя сложные химические фильтры.
Если уголь охладить жидким воздухом, его поглотительная способность возрастает примерно в десять раз. Этим пользуются в лабораториях для создания вакуума. Охлажденные кусочки угля помещают в сосуд, откуда выкачивают воздух, и каждый кусочек «впитывает» в себя влагу и газы, которые надо удалить. Вакуум в сосуде резко повышается.
Между прочим, углерод является одним из самых тугоплавких веществ. Он плавится при температуре около 3700 градусов.
С химической стороны углерод оказывается малоактивным элементом. Однако он «инертен» лишь при обычных условиях. Достаточно высокие температуры заставляют его вступать в реакции со многими элементами — металлами и неметаллами.
Из трех аллотропических форм самой реакционноспособной оказывается аморфный углерод. При небольшом нагревании на воздухе он энергично соединяется с кислородом, образуя двуокись углерода — углекислый газ CO2. Если горение происходит при недостатке кислорода, получается угарный газ — окись углерода CO. С серой углерод образует очень важное соединение — сероуглерод, прекраснейший растворитель жиров, масел и смол. К химическим свойствам углерода мы еще вернемся.
Оно не только самое важное, но и самое вездесущее. Углекислый газ содержится в атмосфере (0,03 процента), растворен в воде рек и морей, выделяется в огромных количествах при извержениях вулканов и, следовательно, содержится в недрах Земли. Любопытно, что на Венере его несравненно больше, чем в земной атмосфере.
Углекислый газ непрерывно перерабатывается растениями в органические вещества, растения поедаются животными, которые выдыхают углекислый газ, и углерод вновь, таким образом, попадает в атмосферу. Так происходит круговорот углерода в природе. Однако этот цикл имеет и разветвления. Значительные количества углекислого газа поступают в атмосферу Земли при извержениях вулканов. В то же время много углекислого газа, растворенного в воде океанов в форме карбонатов, используется морскими животными для построения скелетов и раковин.
В древние периоды истории Земли огромные количества углерода были выведены из круговорота жизни и погребены под толщей осадочных пород в виде залежей кальцита, каменного угля и нефти.
В течение последнего столетия человек, добывая и сжигая большие количества полезных ископаемых, увеличил поступление углекислого газа в атмосферу. Содержание его в атмосфере сейчас медленно нарастает. Но не только пищей растений служит углекислый газ, он еще и «одеяло» Земли. Он легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, но задерживает инфракрасные лучи, которые Земля излучает в мировое пространство. Если бы в атмосфере отсутствовал углекислый газ, климат нашей планеты был бы намного холоднее и суше. Поэтому деятельность человека, постепенно увеличивающего содержание CO2 в атмосфере Земли, должна со временем привести к потеплению и увлажнению климата.
Углекислый газ не так безвреден для организма человека, как может показаться на первый взгляд. Когда его в воздухе больше 3 процентов, это ведет к серьезным нарушениям работы организма. При 10-процентной концентрации наступает почти мгновенная смерть вследствие остановки дыхания.
В повседневной практике CO2 широко применяется в виде так называемого сухого льда — твердого углекислого газа. Он используется для охлаждения, а также при проведении взрывных работ. С этой целью его помещают поверх заряда взрывчатого вещества. При высокой температуре сухой лед мгновенно испаряется с образованием большого объема CO2, что значительно увеличивает силу взрыва.
Нефть — сложная смесь различных соединений углерода, встречающихся в природе. Это черная маслянистая жидкость с характерным запахом, в состав которой входят углеводороды и более сложные органические соединения. Нефть перерабатывается на химических заводах. Сначала отгоняют из нее самые легкие молекулы — бензин, затем более тяжелые — керосин и, наконец, смазочные масла. Оставшаяся смесь называется мазутом и используется в качестве топлива при варке стали в мартеновских печах, в топках пароходов и электростанций. Продукты, содержащиеся в мазуте, применяются для производства взрывчатых, красящих и лекарственных веществ.