Въглеродът (Carbon) е химичен елемент с атомен номер 6 и символ C, принадлежащ към групата на неметалите. Той е уникален сред всички елементи, защото може да образува огромно разнообразие от химични съединения – повече от всички останали елементи взети заедно.
| Въглерод | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Въглерод |
| Латинско / международно наименование | Carbon |
| Химичен символ | C |
| Пореден номер (атомно число) | 6 |
| Период и група в таблицата | Период 2, група 14 |
| Блок (s, p, d, f) | p-блок |
| Категория / тип елемент | Неметал |
| Атомна маса | 12.011 u |
| Изотопи | ¹²C, ¹³C, ¹⁴C |
| Средна атомна маса | 12.011 |
| Плътност (графит) | 2.26 g/cm³ |
| Плътност (диамант) | 3.51 g/cm³ |
| Температура на сублимация | 3642°C |
| Кристална структура | Диамантена, хексагонална, аморфна |
| Цвят / външен вид | Черен (графит), прозрачен (диамант) |
| Агрегатно състояние при 20°C | Твърдо |
| Откривател / година на откриване | Известен от древността |
| Етимология на името | От лат. carbo – въглен |
| Химическа формула | C |
| Окислителни степени | -4, 0, +2, +4 |
| Електронна конфигурация | 1s² 2s² 2p² |
| Електроотрицателност (Паулинг) | 2.55 |
| Йонизационна енергия | 11.26 eV |
| Ковалентен радиус | 77 pm |
| Атомен радиус | 70 pm |
| Топлопроводимост (диамант) | 2000 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | Висока при графит |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Честота в земната кора | 0.02% |
| Основни минерали и съединения | Графит, диамант, CaCO₃, CO₂, CH₄ |
| Разпространение в природата | В атмосфера, почви, океани, живи организми |
| Основни производители в света | Китай, Индия, САЩ (въглеродни материали) |
| Основни приложения | Органична химия, енергетика, металургия, нанотехнологии |
| Биологично значение | Основен градивен елемент на живота |
| Токсичност и безопасност | Безвреден в чист вид; CO и CO₂ са опасни |
| Влияние върху човешкия организъм | Съществен за метаболизма и органичните молекули |
| Използване в индустрията | Стоманодобив, химия, филтри, батерии, графен |
| Използване в медицината / фармацията | Активен въглен, наноматериали за доставка на лекарства |
| Ядрени свойства | Радиоактивен изотоп ¹⁴C за датиране |
| Наличие в атмосферата / океаните | CO₂, разтворен въглерод в морската вода |
| Глобално годишно производство | >10 милиарда тона въглища и органични материали |
| Научна дисциплина | Химия, физика, биология, геология |
| CAS номер | 7440-44-0 |
| PubChem CID | 5462310 |
| Състояние при стандартни условия (STP) | Твърдо |
| Класификация по IUPAC | Неметал |
| Символика и културно значение | Символ на живот, материя и постоянство |
Въглеродът е основата на органичната химия, а следователно и на живота, такъв какъвто го познаваме. Този елемент присъства навсякъде – от атмосферата и океаните до нашето тяло, от графита в моливите до диамантите и нанотръбите в най-модерните технологии.
Благодарение на изключителната си способност да се свързва с други атоми, въглеродът е основен градивен материал на органичните молекули – ДНК, протеини, въглехидрати и липиди.
Физични и химични свойства
Въглеродът е неметал, който проявява изключителна алотропия – способност да съществува в различни форми (алотропи) с напълно различни свойства. Основните му модификации са:
- Диамант – най-твърдото естествено вещество, с кристална структура, където всеки атом е свързан с четири други. Той е прозрачен и електрически изолатор.
- Графит – мек, черен, електропроводим материал, съставен от слоеве въглеродни атоми, подредени в шестоъгълни решетки.
- Аморфен въглерод – форма без кристална структура (сажди, въглища, активен въглен).
- Фулерени и нанотръби – съвременни открития на въглеродни структури с нанометрови размери, използвани в нанотехнологиите.
Физични показатели
- Плътност (графит): 2.26 g/cm³
- Плътност (диамант): 3.51 g/cm³
- Точка на сублимация: ~3642°C
- Топлопроводимост (диамант): изключително висока – 2000 W/(m·K)
Химически въглеродът е изключително гъвкав. Той образува ковалентни връзки с други елементи и се комбинира с кислород, водород, азот, сяра и метали. Съединенията му са в основата на всички органични вещества.
Разпространение и наличие
Въглеродът съставлява около 0.02% от земната кора, но е широко разпространен под различни форми:
- В атмосферата – под формата на въглероден диоксид (CO₂).
- В литосферата – като варовик (CaCO₃), доломит и други карбонати.
- В биосферата – във всички живи организми (органичен въглерод).
- В изкопаеми горива – въглища, нефт, природен газ.
Въглеродът циркулира непрекъснато в природата чрез въглеродния цикъл – процес, при който се обменя между атмосфера, биосфера и хидросфера. Този цикъл е от жизненоважно значение за климата и екологичното равновесие на планетата.
Алотропни форми
Диамантът е най-плътната и твърда форма на въглерода. Освен като скъпоценен камък, той се използва в промишлеността за рязане, шлифоване и пробиване на твърди материали, както и в оптиката и електрониката.
Графитът е проводник на електричество и се използва в електроди, батерии, смазки и моливи. Благодарение на слоестата си структура, той има висока термична устойчивост и отлични смазочни свойства.
Фулерените (C₆₀, C₇₀ и др.) и графенът – едноатомно тънък слой от въглерод – са открития на края на XX век, които отвориха пътя към нанотехнологиите, свръхпроводниците и квантовата електроника.
Изотопи и ядрени свойства
Въглеродът има три основни изотопа:
- ¹²C (98.9%) – стабилен
- ¹³C (1.1%) – стабилен
- ¹⁴C (радиоактивен) – използва се за радиовъглеродно датиране на археологически и геоложки образци (период на полуразпад ~5730 години).
Изотопът ¹⁴C се образува в атмосферата при взаимодействие на космическите лъчи с азот и се абсорбира от живите организми. След смъртта на организма количеството му намалява, което позволява учените да определят възрастта на древни останки.
Приложения
Въглеродът и неговите съединения имат огромно значение в почти всички отрасли:
- Енергетика: въглища, нефт, природен газ, биогорива.
- Металургия: използва се като редуциращ агент и в стоманодобива (въглерод в стоманата).
- Химическа индустрия: основа за производството на пластмаси, синтетични влакна, фармацевтични и органични съединения.
- Електроника и нанотехнологии: графен, нанотръби, фулерени – за създаване на ултралеки и свръхпроводими материали.
- Медицина: активен въглен за детоксикация и пречистване; въглеродни наноструктури за доставка на лекарства.
- Околна среда: активен въглен в системи за филтриране на вода и въздух.
Биологично значение
Въглеродът е основният елемент на живота. Той е в основата на всички органични молекули:
- ДНК и РНК – носители на наследствената информация.
- Протеини – изградени от аминокиселини, съдържащи въглерод.
- Въглехидрати – източник на енергия.
- Липиди – основа на клетъчните мембрани.
- Живите организми усвояват въглерод от атмосферата (като CO₂) чрез фотосинтеза, а го освобождават обратно чрез дишане и разлагане.
Въглероден цикъл и климат
Въглеродният цикъл регулира концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата – ключов парников газ, който влияе на климата.
Изгарянето на изкопаеми горива от човека увеличава количеството CO₂, което води до глобално затопляне.
Затова въглеродът е в центъра на екологичните стратегии за декарбонизация и преход към възобновяеми източници на енергия.
Интересни факти
Диамантът и графитът са съставени от един и същ елемент, но имат напълно различни свойства. Графенът е най-здравият материал, открит от човека – около 200 пъти по-здрав от стоманата. Всеки човек съдържа около 18% въглерод от телесната си маса. Въглеродът е четвъртият по разпространение елемент във Вселената. Радиовъглеродният метод е помогнал да се определи възрастта на древни цивилизации и геоложки пластове.