CO2 как побочный продукт парового реформинга CH4 и других углеводородов в водород H2
Водород H2 требуется промышленности, прежде всего, для его использования в процессе производства аммиака NH3 (процесс Хабера, каталитическая реакция водорода и азота); аммиак же нужен для производства минеральных удобрений и азотной кислоты. Водород можно производить разными способами, в том числе и любимым экологами электролизом воды — однако, к сожалению, на данное время все способы производства водорода, кроме реформинга углеводородов, являются в масштабах крупных производств абсолютно экономически неоправданными — если только на производстве нет избытка «бесплатной» электроэнергии. Поэтому, основным способом производства водорода, в процессе которого выделяется и углекислый газ, является паровой реформинг метана: при температуре порядка 700…1100°C и давлении 3…25 бар, в присутствии катализатора, водяной пар H2O реагирует с метаном CH4 с выделением синтез-газа (процесс эндотермический, то есть идет с поглощением тепла):
CH4 + H2O (+ тепло) → CO + 3H2
Аналогичным образом паровому реформингу можно подвергать пропан:
С3H8 + 3H2O (+ тепло) → 2CO + 7H2
А также этанол (этиловый спирт):
C2H5OH + H2O (+ тепло) → 2CO + 4H2
Паровому реформингу можно подвергать даже бензин. В бензине содержится более 100 разных химических соединений, ниже показаны реакции парового реформинга изооктана и толуола:
C8H18 + 8H2O (+ тепло) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ тепло) → 7CO + 11H2
Итак, в процессе парового реформинга того или иного углеводородного топлива получен водород и монооксид углерода CO (угарный газ). На следующем этапе процесса производства водорода, угарный газ в присутствии катализатора подвергается реакции перемещения атома кислорода O из воды в газ = CO окисляется в CO2, а водород H2 выделяется в свободной форме. Реакция экзотермическая, при ней выделяется порядка 40,4 кДж/моль тепла:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ тепло)
В условиях промышлененых предприятий, выделяющийся при паровом реформинге углеводородов диоксид углерода CO2 легко изолировать и собрать. Однако, CO2 в этом случае является нежелательным побочным продуктом, простой свободный выпуск его в атмосферу, хотя и является сейчас превалирующим путем избавления от CO2, нежелателен с экологической точки зрения, и некоторыми предприятиями практикуются более «продвинутые» методы, такие как, например, закачивание CO2 в нефтяные месторождения со снижающимся дебетом или закачивание его в океан.
Процесс получения метана из карбида: основные этапы
CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2
Сам процесс получения метана из карбида включает несколько этапов:
1. Предварительная подготовка карбида. Используемый карбид должен быть чистым и без примесей. Для этого он подвергается специальной обработке и обезвоживанию.
2. Реакция карбида с водой. При контакте с водой карбид реагирует, образуя необходимый продукт – метан. Реакцию проводят в специальных реакторах, где осуществляется контроль температуры и давления.
3. Очистка и дополнительная обработка полученного газа. Полученный метан требуется очистить от примесей и улучшить его качество. Для этого используются различные методы фильтрации и сортировки.
4. Упаковка и использование. После окончательной очистки метан упаковывается в специальные контейнеры или тару и готовится к дальнейшему использованию.
Процесс получения метана из карбида широко применяется в промышленности и бытовых условиях. Метан является одним из основных источников энергии и используется для производства электроэнергии, отопления, а также в газовой промышленности.
Электролиз воды: экологический источник метана
Электролиз воды является одним из наиболее экологически чистых способов производства метана. В нем не используются горючие ископаемые и не выделяются вредные выбросы в атмосферу, так как при разложении воды на водород и кислород происходят только химические реакции.
Для проведения электролиза воды часто используются электролизеры, которые состоят из двух электродов и электролита. Один электрод называется анодом и используется для окисления воды, а другой электрод — катод — используется для восстановления водорода. При подключении электродов к источнику постоянного тока происходит разложение воды и образуется водород и кислород.
Полученный водород можно использовать в дальнейших стадиях процесса для синтеза метана, который может быть использован, например, в качестве топлива или сырья для различных химических производств. Преимуществом этого способа является его чистота и экологическая безопасность.
Таким образом, электролиз воды представляет собой перспективый способ получения метана, который позволяет снизить вредное влияние на окружающую среду и сделать производство метана более устойчивым и эффективным.
Углерод: от звезд к жизни
Согласно шестому по численности числу элементов во Вселенной, углерод образуется в внутри звезд в реакции, называемой тройным альфа-процессом, согласно Центру астрофизики.
В старых звездах, которые сжигали большую часть своего водорода, сохраняется оставшийся гелий. Каждое ядро гелия имеет два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100 000 000 Кельв. (179,999,540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала как пары в неустойчивые 4-протонные бериллиевые ядра, а в конечном итоге, по мере того, как появляются достаточное количество ядер бериллий, в бериллий и гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углеродом.
Углерод — производитель шаблонов. Он может связываться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он может также связываться с четырьмя другими атомами из-за его расположения электронов. Атомы расположены как ядро, окруженное электронным облаком, причем электроны движутся вокруг на разных расстояниях от ядра. Согласно данным Университета Калифорнии Дэвис, химики понимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.
У углерода есть две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из возможных восьми пространств. Когда атомы связаны, они делят электроны в их внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства в своей внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим числом атомов путем образования двойных и тройных связей).
Другими словами, у углерода есть варианты. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и ученые считают, что углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений. Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что это имеет решающее значение почти для всей жизни.
Углерод в организмах
Открытие углерода уходит в историю. Элемент был известен доисторическим людям в форме древесного угля. По словам Всемирной ассоциации угля, углерод как уголь по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, еще одна форма углерода, является обычной промышленной смазкой.
Углерод-14 представляет собой радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для современных организмов и останков. Углерод-14 естественным образом встречается в атмосфере. По словам Университета штата Колорадо, растения принимают его в дыхании, в котором они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Живые организмы включают углерод-14 в свои тела, употребляя в пищу растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.
Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает на некогда живых организмах, включая предметы из дерева или другого растительного материала.
Химические свойства
Углерод – это химический элемент, который встречается в различных формах и имеет множество применений в промышленности и науке. Он является необходимым элементом для жизни и является основой органических соединений. В природе углерод встречается в виде графита и алмазов, а также в органических соединениях, таких как уголь, нефть и газ. Углерод очень реакционен и может образовывать множество соединений. Углерод имеет многочисленные применения в промышленности, включая производство стали, графитных изделий, термостойких материалов, твердых тел, электродов, смазок и многих других. Он также находит применение в науке, включая использование углеродных нанотрубок в электронике и использование углерода в качестве катализатора в химических процессах. Таким образом, углерод – это очень важный элемент, который имеет множество форм и свойств и найдет применение в различных областях науки и техники.
Неорганические соединения
Карбиды, карбонаты и оксиды – это неорганические соединения углерода, которые имеют широкое применение в промышленности. Например, карбид кремния используется в производстве керамики, а карбид тунгстена – в производстве твердых сплавов и резцов для обработки металлов. Карбонаты углерода, такие как известняк и мрамор, используются в строительстве и производстве цемента. Оксид углерода, также известный как угарный газ, образуется при сгорании угля и используется в производстве соды и других химических веществ
Таким образом, эти неорганические соединения углерода имеют важное значение в промышленности и других отраслях науки
Органические соединения
Органические соединения являются неотъемлемой частью нашей жизни. Они могут быть найдены во многих материалах, таких как пищевые продукты, лекарства, одежда, пластик и многое другое. Углерод является ключевым элементом в органических соединениях, и его уникальные свойства делают его важным компонентом во многих материалах и продуктах. Органические соединения могут быть твердыми, жидкими или газообразными, и они имеют множество применений в различных отраслях науки. Например, многие лекарства являются органическими соединениями, а пищевые продукты содержат органические соединения, которые дают им вкус и аромат. Кроме того, органические соединения используются в производстве пластиков, красок, косметики, парфюмерии и многих других продуктах. Таким образом, углерод и органические соединения, которые он образует, являются важными компонентами нашей жизни и имеют множество применений в различных областях науки и техники.
Почему углерод используется для измерения
Углерод выбран в качестве основной единицы измерения, потому что он является распространенным и легко доступным элементом. Кроме того, углерод обладает стабильностью и однородностью, что делает его идеальным кандидатом для определения атомной единицы массы моль.
Использование углерода как основы для измерения массы моль имеет ряд преимуществ. Во-первых, это облегчает сравнение и конвертацию между различными веществами, так как они могут быть выражены в отношении их атомных масс. Во-вторых, это упрощает расчеты химических реакций и определение количества веществ, участвующих в реакции. Кроме того, использование углерода для измерения обеспечивает согласованность и единообразие в научных и технических расчетах в области химии и физики.
Таким образом, использование углерода в качестве основной единицы измерения массы моль является важным и неотъемлемым аспектом в науке и технологии. Это позволяет ученым и инженерам проводить точные и сопоставимые измерения и расчеты, что имеет большое значение для различных научных областей и промышленных процессов.
Уникальные свойства углерода
Почему углерод используется в качестве атомной единицы массы моль? Ответ на этот вопрос связан с уникальными свойствами этого химического элемента.
Углерод имеет атомную массу около 12 единиц, что делает его удобным для измерения величин, связанных с атомами и молекулами. Поскольку атомная единица массы моль определяется как масса вещества, содержащегося в одной молекуле, число частиц в моле будет равно постоянной численности Авогадро, примерно равной 6,022 × 10^23.
Особенностями углерода являются его способность образовывать ковалентные связи с другими атомами углерода и другими элементами. Это позволяет ему образовывать различные структуры, такие как алмаз, графит, углеродные нанотрубки и графен.
Эти уникальные свойства углерода делают его основным исследовательским объектом в различных областях науки и технологий, включая химию, физику, материаловедение и биологию. Углеродные соединения нашли применение в производстве материалов, лекарственных препаратов, пластиков, электроники и многих других областях.
Углерод — основа всех органических соединений
Углерод играет важную роль в химии, так как он обладает уникальными свойствами. Из-за своей способности образовывать длинные цепочки, углероду присуще большое разнообразие соединений. Все органические соединения, которые существуют в живой природе или были синтезированы в лаборатории, содержат углерод.
Почему именно углерод используется для измерения атомной единицы массы — моля? Существуют различные величины, которые измеряются в химии, и одной из них является масса. Атомная единица массы (а.е.м.) используется для определения массы атомов и молекул. Изначально углероду было присвоено значение 12 а.е.м., а все другие элементы измерялись относительно этого значения. Такой выбор обусловлен тем, что углерод является одним из самых распространенных элементов в природе и встречается практически во всех органических соединениях. Кроме того, измерение массы в молях облегчает просчеты при проведении химических реакций и позволяет точнее установить соотношение между реагентами и продуктами.
| Элемент | Масса (а.е.м.) |
|---|---|
| Углерод | 12 |
| Кислород | 16 |
| Водород | 1 |
| Азот | 14 |
Использование углерода как основы для измерения атомной единицы массы позволяет ученым более точно определить массу других элементов и молекул, что в свою очередь способствует развитию науки и применению химии в различных отраслях деятельности.
Аллотропия углерода и кремния
Аллотропные формы углерода
Углероду свойственно явление аллотропии. Например, у углерода 4 аллотропные формы: графит, алмаз, карбин, фуллерен. По составу это все тот же углерод, но ввиду особенностей строения молекулы каждого из них, имеются различия в физических и химических свойствах.
Открытие фуллерена произошло относительно недавно, в 1985 г, их особенность в строении молекулы, похожей на футбольный мяч. Наиболее распространены молекулы фуллерена С60, состоящего из 60 атомов углерода,и фуллерена С70, состоящего из 70 атомов углерода.
Благодаря своему строению, обладает уникальными свойствами, который открывает широкий спектр применений. Начиная применениями в физике, заканчивая медициной. Молекула является мощнейшим антиоксидантом, используемая даже в борьбе с ВИЧ.
Аллотропные модификации углерода Источник
Графит и алмаз нам хорошо знакомы. Первый используется как грифель для простого карандаша, второй является драгоценным камнем, но ввиду своей прочности используется и в строительстве, и в медицине и т.д. Отличны они по своим физическим свойствам, в силу различий строений графических решеток.
Графит вещество темно-серого цвета, не поддается плавлению, обладает металлическим блеском и достаточно мягкий. Его кристаллическая решетка атомная. Это означает, что в узлах таких решеток атомы, связаны ковалентной полярной или неполярной связью. Такая кристаллическая решетка влияет и на свойства вещества, придавая тугоплавкость, нерастворимость в воде.
Изображение графита при нахождении в природе и графит в грифеле карандаша.
Алмаз – самое твердое вещество на земле. Цвета не имеет.Плавлению не поддается. Высока твердость и тугоплавкость алмаза объясняется строением кристаллической решетки.Связи между атомами углерода – ковалентные неполярные, они равны по длине и энергии. Поэтому сложно разорвать их. Иначе называют «кубической аллотропной формой углерода».
Алмазы до и после огранки
Карбин — это еще одна аллотропная модификация углерода, по последним данным это вещество считается тверже алмаза.Было впервые получено и открыто в 1960-х годах. Примечательно, что сначала его получили в лаборатории, а после обнаружили в природе, в виде вкраплений в чаоите (минерал белого цвета, называемый иначе «белый углерод»), графите и в метеоритах.Обладает широкими набором свойств. В обычном состоянии порошкообразное вещество. Также тугоплавкое.
Чаоит
Аллотропия кремния
Аллотропия кремния выражена двумя видами кремния: аморфным и кристаллическим. Это два вещества,одинаковых по составу, но различные построению молекул. Эти отличия наделяют их разными физическими и химическими свойствами, а также различиями во внешнем виде.
Цвет кристаллического кремния темный, почти черный. Присутствует металлический блеск. Твердый на ощупь, при этом хрупкий. Обладает свойствами полупроводником. Полупроводники – вещества, способные проводить электричество. Но по своей способности проводить последнее они находятся между проводниками, хорошо проводящими электрический ток, и диэлектриками, веществами, плохо проводящими электрический ток.
Кипит и плавится при больших температурах, реакционно не активен. Структуру имеет подобную алмазу.
Аморфный кремний буро-красный по цвету, порошкообразен. Хорошо впитывает воду, но структура такая же как у кристаллического.
Аллотропия кремния
История открытия углерода
Углерод, один из самых распространенных и важных элементов, был открыт и изучен уже в античные времена. Египетские и греческие ученые обнаружили некоторые свойства углерода, но они не осознавали его химическую природу.
История открытия углерода началась в 17 веке, когда английский химик Роберт Бойл заметил, что уголь при сгорании образует газ. Позже газ назвали «флогистоном», но неправильное представление об этом процессе затрудняло понимание сути углерода.
В 18 веке французский химик Ломоносов провел ряд экспериментов с углем и предложил гипотезу, что он составлен из небольших частиц, называемых «карбонатами». Эта идея была развита другими учеными, которые дали углероду его современное название.
В конце 18 века был обнаружен еще один вид углерода — алмаз. Русский ученый Ломансов сделал первые научные исследования алмазов и доказал, что они состоят из чистого углерода. Это открытие подтвердило гипотезу Ломоносова и укрепило положение углерода в химической науке.
С течением времени ученые узнали о множестве других форм углерода, таких как графит, углеродное волокно, углеродные нанотрубки и графен. Сегодня углерод — один из самых изученных и важных элементов нашей планеты.
Углерод в природе
«Карбонеум», так звучит название химического элемента по латыни. Главным карбонатным минералом считается кальцит. Природный формат его: мел, мрамор, известняк. Углекислый газ содержится в выдыхаемом живыми организмами воздухе. Вблизи фабрик, заводов, транспортных магистралей концентрация его больше. Образуется оксид при гниении, горении, тлении органических веществ.
Дословный перевод элемента на русский язык – «рождающий уголь». В соленых водах океанов и морей оксида углерода-4 больше, чем в воздухе. До 99% элемента содержится в каменном угле, 72% – буром, 57% – торфе. Нефть – это смесь водородных соединений углерода, находящихся в разных агрегатных состояниях (жидком, газообразном, твердом). Все источники участвуют в круговороте элемента в природе. Углерод является основой живой природы.
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
|
WO2017040355A1 * |
2015-08-31 | 2017-03-09 | University Of Massachusetts | Compositions and methods for co2 adsorption and conversion to long-chain hydrocarbons |
|
RU2613914C1 * |
2015-12-11 | 2017-03-22 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Способ переработки природного углеводородного газа |
|
CN115555016A * |
2022-09-27 | 2023-01-03 | 上海交通大学 | 基于吸附/催化双功能材料的二氧化碳捕集转化一体化实现方法 |
|
US11655421B2 |
2016-12-23 | 2023-05-23 | Carbon Engineering Ltd. | Method and system for synthesizing fuel from dilute carbon dioxide source |
Источники и получение метана
Метан — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Его химическая формула — CH 4 . Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Основной компонент природных (77-99%), попутных нефтяных (31-90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ).
На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.
Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10-57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24-34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.
В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и калия) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой
Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен
Применение метана
Метан — наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо
и как сырьё для промышленности
. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.
При неполном сгорании метана получают сажу
, при каталитическом окислении — формальдегид
,
при взаимодействии с серой — сероуглерод
.
Термоокислительный крекинг
и электрокрекинг
метана- важные промышленные методы получения ацетилена
.
Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты.
Метан используют как источник водорода
в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др
Важное производное метана — нитрометан
Автомобильное топливо
Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.
Метан и парниковый эффект
Метан является парниковым газом
. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.
Сейчас среднее содержание метана CH 4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million
, частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO 2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана — то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО 2 . Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов — СO 2 , паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.
Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.
Метан на Земле
Недалеко от Санта-Барбары со дна океана в больших объемах в виде пузырьков выделяется метан – активный парниковый газ
Особенно опасен метан при проведении горных работ
Метан вместо бензина? Легко
Когда в атмосфере Марса был обнаружен метан, у ученых появилась надежда найти на планете следы жизни
Фермерские хозяйства ежегодно сталкиваются с проблемой утилизации навоза. В никуда уходят немалые средства, которые требуются для организации его вывоза и захоронения. Но есть способ, позволяющий не только сэкономить свои деньги, но и заставить служить себе во благо этот природный продукт.
Рачительные хозяева уже давно применяют на практике экотехнологию, позволяющую получить биогаз из навоза и использовать результат в качестве топлива.
Поэтому в нашем материале речь пойдет о технологии получения биогаза, также мы расскажем о том, как соорудить биоэнергетическую установку.
Определение требующегося объема
Объем реактора определяется исходя из суточного количества навоза, производимого в хозяйстве. Также необходимо учитывать тип сырья, температурный режим и время брожения. Чтобы установка полноценно работала, емкость заполняется на 85-90% объема, как минимум 10% должно оставаться свободным для выхода газа.
Процесс разложения органики в мезофильной установке при средней температуре 35 градусов длится от 12 суток, после чего ферментированные остатки извлекаются, и реактор заполняется новой порцией субстрата. Поскольку перед отправкой в реактор отходы разбавляются водой до 90%, то количество жидкости также нужно учитывать при определении суточной загрузки.
Исходя из приведенных показателей, объем реактора будет равен суточному количеству подготовленного субстрата (навоза с водой) умноженному на 12 (время необходимое для разложения биомассы) и увеличенному на 10% (свободный объем емкости).
Применение
Можно сказать, что углерод неразрывно связан с самим развитием человеческой цивилизации. Именно из соединений с участием углерода образованы основные топлива, благодаря которым ездят машины, летают самолеты, вы можете приготовить себе еду и обогреть свой дом в холодную пору – это нефть и газ. Помимо этого соединения углерода активно используются в химической и металлургической промышленности, в фармацевтике и строительстве. Алмазы, будучи аллотропной модификацией углерода используются в ювелирном деле и ракетостроении. В целом промышленность современности не может обойтись без углерода, он необходим практически везде.
Три формы углерода
Углерод — удивительное вещество, физические свойства которого и даже внешний вид описать однозначно просто невозможно. Этот элемент — рекордсмен по количеству аллотропных модификаций. Три формы углерода:• кристаллическая: алмазы, наноалмазы, фуллерены, фуллерит, графиты, карбины, лонсдейлиты, углеродные нанотрубки и нановолокна, графен, волокна и структуры;• аморфная: угли (древесный, в том числе активированный уголь, антрацит и др.), коксы, сажа, углеродная нанопена, стеклоуглерод, техуглерод;• кластерная: астралены, диуглерод, углеродные наноконусы.
Молекулы кристаллического углерода характеризуются правильной кристаллической решеткой. Большинство форм кристаллического углерода отличаются очень высокой твердостью и тугоплавкостью. Алмаз обладает высокой плотностью, почти не проводит тепло и ток. Графит, наоборот, имеет невысокую плотность и слоистое строение; проводит ток, может возгоняться, минуя жидкое состояние.
Вещества, относящиеся к аморфным формам, не являются чистой формой углерода, но содержат углерод в очень значительных количествах. Для аморфного углерода характерна высокая теплоемкость, свойства полупроводников, невысокая плотность, относительно невысокая термостойкость — при температуре выше 1600 °С он превращается в графит. Как правило, их основой являются разные формы мелкокристаллического графита в виде неупорядочной структуры.
Углеродные кластеры — сложные соединения с очень интересными свойствами. Им, а также другим перспективным материалам на основе углерода, мы посвятим одну из ближайших статей.
Химические свойства
С химическими свойствами немного проще. В нормальных условиях углерод практически не вступает в реакции с другими элементами и веществами, инертен к кислотам, щелочам, галогенам. При высоких температурах проявляет сильные восстановительные свойства. Наиболее химически активны аморфные виды углерода, наиболее инертны — кристаллические. Графит по химической активности занимает серединное положение. При высоких температурах углерод окисляется кислородом (горит), образует несколько видов оксидов.
Графит и аморфный углерод при высоких температурах реагируют с водородом, азотом, фтором, галогенами, щелочными металлами, солями металлов, серой. В результате реакции с водородом и азотом получается синильная кислота. Взаимодействие большинства металлов, углерода, бора и кремния приводит к образованию карбидов. Углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. При определенных условиях удается преобразовать углерод, содержащийся в твердых видах топлива, в горючие газы (реакция газификации топлив очень важна для промышленности).
Следующая статья будет о содержании углерода в природе, его опасности и сферах применения.
Углерод — это, пожалуй, основной и самый удивительный химический элемент на Земле, ведь с его помощью формируется колоссальное количество разнообразных соединений, как неорганических, так и органических. Углерод является основой всех живых существ, можно сказать, что углерод, наравне с водой и кислородом, — основа жизни на нашей планете! Углерод имеет разнообразие форм, которые не похожи ни по своим физико-химическим свойствам, ни по внешнему виду. Но всё это углерод!
Роль в природе
В земной коре содержание углерода составляет всего лишь 0,15%. Несмотря на эту кажущуюся маленькой цифру, стоит заметить, что углерод непрерывно участвует в природном круговороте из земной коры через биосферу в атмосферу и наоборот. Также именно из углерода состоят такие ценные ресурсы как нефть, уголь, торф, известняки и природный газ. И как мы писали в начале нашей статьи, углерод – основа жизни. Скажем, в теле взрослого человека с весом в 70 кг имеется около 13 кг углерода. Это только в одном человека, примерно в таких же пропорциях углерод содержится в телах всех других живых существ, растений и животных.
Недостаточное количество углерода
Углерод — один из основных элементов, являющихся строительным материалом жизни на Земле. Он присутствует во всех органических соединениях и выполняет ряд важных функций в биосфере. Недостаточное количество углерода может иметь серьезные последствия для живых организмов и геологических процессов.
Процесс образования органического углерода начинается с превращения солнечной энергии в химическую энергию путем фотосинтеза. Растения и фитопланктон ассимилируют углерод из атмосферы в виде углекислого газа и используют его для синтеза органических веществ. Животные потребляют растения и других живых организмов, получая энергию и углерод. Таким образом, животные и растения являются ключевыми участниками движения углерода в биосфере.
Геологические процессы также играют важную роль в углеродном цикле. Подземные ископаемые, такие как уголь и нефть, образовались из останков растительных и животных организмов, которые накапливались в течение миллионов лет. Использование этих ископаемых людьми приводит к выделению значительных количеств углерода в атмосферу в виде углекислого газа, что способствует усилению парникового эффекта и климатическим изменениям.
Океан является еще одним важным резервуаром углерода в биосфере. Океаны поглощают углекислый газ из атмосферы, но при этом может увеличить уровень кислотности воды, что негативно влияет на живые организмы, такие как кораллы и микроорганизмы.
Почвенные бактерии также играют важную роль в цикле углерода. Они разлагают органический материал и выпускают углекислый газ в атмосферу. Однако интенсивное использование сельскохозяйственных угодий и применение химических удобрений может нарушить биологическую активность почвы и увеличить выбросы углерода в атмосферу.
Вулканы также являются источником углерода в атмосфере. В результате вулканической деятельности освобождаются большие объемы углекислого газа и других газов, включая метан. Это может привести к временному увеличению содержания углерода в атмосфере и воздействию на климатические процессы.
Причины недостатка углерода в атмосфере
Недостаток углерода в атмосфере может иметь различные причины. Рассмотрим основные из них:
- Почвенные бактерии
Почвенные бактерии играют важную роль в цикле углерода. Они разлагают органические вещества, такие как растительные остатки и животные отходы, и превращают их в углекислый газ. Этот газ затем уносится в атмосферу.
- Растения
Растения играют ключевую роль в фотосинтезе, в процессе которого они поглощают углекислый газ из атмосферы и превращают его в органические вещества. При недостатке растительного покрова, например, из-за вырубки лесов или засух, углерод не поглощается и остается в атмосфере.
- Животные
Животные также выпускают углекислый газ во время дыхания. Однако их вклад в общее количество углерода в атмосфере сравнительно невелик по сравнению с другими источниками. Тем не менее, деятельность животных может влиять на распределение углерода в природных экосистемах.
- Геологические процессы
Геологические процессы, такие как вулканическая активность и горные движения, могут способствовать выделению углерода в атмосферу. Извержения вулканов выбрасывают большое количество углекислого газа и других газов, в результате чего происходит повышение содержания углерода в атмосфере.
- Океан
Океан также играет важную роль в цикле углерода. Он поглощает углекислый газ из атмосферы и удерживает его в растворенном виде. Однако из-за изменения климата и других факторов, океан может выделять больше углекислого газа, возвращая его обратно в атмосферу.
- Биосфера
Биосфера включает в себя все живые организмы на Земле. В целом, биосфера либо поглощает, либо выделяет углерод в атмосферу в различных формах. При изменении баланса в биосфере, например, из-за изменения в используемых практиках земледелия или глобального потепления, происходит изменение в распределении углерода.
Таким образом, недостаток углерода в атмосфере может быть вызван различными факторами, такими как действия почвенных бактерий, растений, животных, геологических процессов, океана и изменений в биосфере.