Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Алмазы образуют отдельные кристаллы или небольшого размера сростки, масса которых обычно колеблется от тысячных до десятых долей грамма. Наиболее крупные месторождения графита образовались в результате воздействия высоких температур и давления на каменные угли. Уголь, тоже состоящий из углерода, получается искусственным путем. Однако в природе есть вещества, близкие по своему составу к углю. Некоторые из ископаемых углей, содержат до 99 % углерода. Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Это один из распространенных элементов на Земле. По многочисленности и разнообразию своих соединений углерод занимает среди других элементов совершенно особое положение. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой с образованием длинных цепей или колец.

В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующего в кубической системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие формы его, как древесный уголь, кокс, сажа, имеют неупорядоченную структуру. Синтетически получены карбин и поликумулен – разновидности углерода, состоящие из линейных цепных полимеров. Карбин обладает полупроводниковые свойствами. При сильном нагревании без доступа воздуха он превращается в графит.

Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющие лучи света. Он кристаллизуются в кубической гранецентрированной решетке. Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема, - атомы углерода «упакованы» в алмазе очень плотно. Алмазы используют для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок. Получающийся при измельчении алмаза порошок служит для шлифовки драгоценных камней и самих алмазов. Должным образом отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами. При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода.

Графит представляет собой темно-серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку. Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга. Этим объясняется малая механическая прочность графита. На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде, образуя при этом диоксид углерода. Благодаря электрической проводимости графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Графит применяют также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

При нагревании углеродсодержащих соединений без доступа воздуха из них выделяется черная масса, называемая «аморфным» углеродом или просто углем. Такой углерод состоит из мельчайших кристалликов с разупорядоченной структурой графита. Уголь растворяется во многих расплавленных металлах. Угли существенно различаются по своим свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Кроме того, они всегда содержат примеси, сильно влияющие на их свойства. Важнейшие технические сорта угля: кокс, костяной уголь, древесный уголь и сажа.

кокс сажа Костяной уголь Древесный уголь

На внешнем электронном слое у атома углерода четыре электрона ( он расположен в четвертой группе периодической системы). Способность отдавать свои электроны у него почти такая же, как и присоединять электроны атомов других элементов. Поэтому углерод, как правило, вступает в соединения с образованием ковалентных связей за счет образования электронных пар. В обычных условиях углерод мало активен, нагревание повышает его активность. Так, при нагревании сажа и угли соединяются с кислородом. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла. При недостатке кислорода образуется окись углерода: 2C + O2 = 2CO

Если же кислорода достаточно, образуется углекислый газ: С + О2 = СО2 Углерод реагирует также с серой, образуя сероуглерод: С + 2S = CS2 Карбиды металлов образуются как при взаимодействии углерода с металлами, так и с их окислами: 4AL + 3C = AL4C3 CaO+3C=CaC2+CO

Чистый карбид кальция – твердое прозрачное вещество, технический карбид куски серого цвета. В карбидах валентность углерода отрицательная. Водой карбиды разлагаются: CaC2+2H2O=Ca(OH) 2+C2H2 AL4C3+12H2O=4AL(O H)3+3CH4 карбид кальция

Это бесцветный, не имеющий запаха газ, плохо растворимый в воде газ. СО – окисел несолеобразующий. Окись углерода – ядовитый газ. При содержании его в воздухе около 0,1% человек может отравится. При нагревании с кислородом воздуха окись углерода дает двуокись углерода: 2 СО+О2= 2 СО2 Окись углерода является хорошим восстановителем и применяется для восстановления металлов из их окислов. На воздухе он горит голубоватым пламенем с выделением большого количество тепла. Это качество позволяет использовать ее в качестве газообразного топлива.

В небольших количествах ( 0,03 % по объему) углекислый газ всегда содержится в воздухе. Он не имеет цвета и запаха. При температуре -78,5 градусов углекислый газ превращается в твердую снегообразную массу, называемую «сухим льдом», который возгоняется, не плавясь. Углекислый газ не горит и не поддерживает горения. Однако некоторые активные вещества могут гореть и в углекислом газе: СО2+ 2 Мg= 2 MgO+C где углерод выделяется в виде копоти. Углекислый газ является ангидридом угольной кислоты Н2СО3 и обладает всеми свойствами кислотных окислов. При растворении в воде соединяется с ней с образованием угольной кислоты. Получают СО2 термическим разложением солей угольной кислоты: CaCO3=CaO+CO2