Материал для учителя

Материал для учителя

Углерод − важнейший элемент нашей планеты, хотя его на Земле в 49 раз меньше, чем кислорода, и в 26 раз меньше, чем кремния. В таблице распространённости элементов он занимает 15-е место (в процентах от массы земной коры). Значение углерода в природе, однако, зависит не столько от количества его атомов, находящихся в различных геосферах, сколько от свойств самого атома элемента и его участия в геохимических реакциях.

Углерод в атмосфере, гидросфере, литосфере

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,03% (по объёму). Общее содержание его в атмосфере доходит до 6,4•1011 т. Однако количество углекислого газа, поглощаемого растениями, в десятки раз превышает его количество в земной атмосфере. В огромных количествах углерод содержится в газах (в виде СО2, СО и СН4), выделяющихся при извержении вулканов. Подсчитано, что только один действующий вулкан Котопахи в Эквадоре в течение года выделяет свыше 10 млн тонн СО2. В прежние геологические периоды, когда вулканическая деятельность была более активной, в атмосферу выделялось очень большое количество углекислого газа. Газы некоторых вулканов почти целиком (до 97%) состоят из СО2. Если в составе газов действующих вулканов находится оксид углерода (II) вместе с другими горючими газами (Н2, СН4, и др.), то при соединении с кислородом эти газы воспламеняются, и из кратера начинает выбрасываться настоящее пламя. При этой реакции горения из оксида углерода (II) и кислорода образуется СО2. В большом количестве выделяется углекислый газ из земли в областях затухающей вулканической деятельности (углекислые источники, термы, земные трещины и т. п.).

В каменноугольных копях и нефтяных месторождениях углерод выделяется, главным образом, в виде метана СН4 (рудничный газ), являясь иногда причиной ужасных катастроф. Много метана выделяется из болот (болотный газ), где он образуется при гниении растений. Если растормошить палкой тину на дне болота, метан будет выделяться в виде пузырей. При замерзании болот скопления метана иногда образуются подо льдом. Если пробить отверстие во льду над таким пузырём и поднести к нему спичку, газ будет гореть в виде факела.

В природе есть мощный регулятор количества СО2 в атмосфере − масса воды морей и океанов. Вода выделяет углекислый газ в воздух, когда упругость находящегося в воздухе углекислого газа уменьшается, и поглощает его обратно, если упругость паров увеличивается. Такая закономерность имеет огромное значение в химии земной коры. Роль этого фактора станет ещё более понятной, если принять во внимание тот факт, что общая площадь океанов, морей и пресноводных бассейнов почти в 10 раз превышает площадь, занятую растительностью суши.

Углекислый газ поступает в водоёмы вместе с дождём или непосредственно растворяется в поверхностных водах. Воды океана всегда содержат растворимые бикарбонаты и газообразный углекислый газ. Стоит заметить, что морская вода является слабощелочной – факт, имеющий огромное значение для жизни водных организмов. Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие: если углерод вошёл в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. Главные пути потери углерода – это образование карбонатов – СаСО3, МgСО3 и др. Образовавшиеся продукты рассеиваются в земной коре, но иногда дают скопления углерода в виде каменных углей, горючих сланцев, нефти, ископаемых смол, известняков, доломитов, мергелей и других минералов и горных пород.<  >На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для учёных, занимающихся изучением атмосферы.

http://him.1september. ru/view_article. php? ID=200801313

Полиморфизм

Многие вещества могут образовывать кристаллические формы, имеющие различные структуру и свойства, но одинаковый состав (полиморфные модификации). Полиморфизм − способность твёрдых веществ и жидких кристаллов существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе. Само слово происходит от греческого «полиморфос"» − многообразный. Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом, который в 1798 г. обнаружил, что два разных минерала − кальцит и арагонит − имеют одинаковый химический состав СаСО3. Полиморфизм простых веществ обычно называют аллотропией, в то же время понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (например, газообразным О2 и О3). Типичный пример полиморфных форм – модификации углерода (алмаз, лонсдейлит, графит, карбины и фуллерены), которые резко различаются по свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000oС в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200−1600o С), но и гигантское давление – до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).

В случае молекулярных кристаллов полиморфизм проявляется в различной упаковке молекул в кристалле или в изменении формы молекул, а в ионных кристаллах – в различном взаимном расположении катионов и анионов. Некоторые простые и сложные вещества имеют более двух полиморфных модификаций. Например, диоксид кремния имеет десять модификаций, фторид кальция – шесть, нитрат аммония – четыре. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами б, в, г, д, е,... начиная с модификаций, устойчивых при низких температурах.

При кристаллизации из пара, раствора или расплава вещества, имеющего несколько полиморфных модификаций, сначала образуется модификация, менее устойчивая в данных условиях, которая затем превращается в более устойчивую. Например, при конденсации паров фосфора образуется белый фосфор, который в обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее превращается в красный фосфор. При обезвоживании гидроксида свинца при температуре около 70oС образуется менее устойчивый при низких температурах жёлтый в-PbO, около 100oС он превращается в красный б-PbO, а при 540oС − снова в в-PbO.

Переход одной полиморфной модификации в другую называется полиморфными превращениями. Эти переходы происходят при изменении температуры или давления и сопровождаются скачкообразным изменением свойств.

Процесс перехода одной модификации в другую может быть обратимым или необратимым. Так, при нагревании белого мягкого графитоподобного вещества состава BN (нитрид бора) при 1500−1800oС и давлении в несколько десятков атмосфер образуется его высокотемпературная модификация − боразон, по твёрдости близкий к алмазу. При понижении температуры и давления до значений, отвечающих обычным условиям, боразон сохраняет свою структуру. Примером обратимого перехода могут служить взаимные превращения двух модификаций серы (ромбической и моноклинной) при 95oС.

Полиморфные превращения могут проходить и без существенного изменения структуры. Иногда изменение кристаллической структуры вообще отсутствует, например, при переходе б-Fe в в-Fe при 769o С структура железа не меняется, однако исчезают его ферромагнитные свойства.

http://www. alhimik. ru/stroenie/gl_17.html#174