Углерод – один атом, разные свойства

Название «углерод» (фр. carbone) появилось в конце 18 века и фигурирует в «Элементарном учебнике химии» французского химика Антуана Лавуазье. Очень популярные среди естествоиспытателей 18 века опыты по сжиганию различных минералов, включая алмазы, показали, что при сильном нагревании сгорает без остатка лишь алмаз. Лавуазье одним из первых пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода, графит, долгое время считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago. И только в конце 18 века французский химик Гитон де Морво путём осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Имя первооткрывателя элемента № 6 неизвестно, как и тот факт, какая из его аллотропных разновидностей, алмаз или графит, была открыта раньше. Известно точно, что формы этого элемента человек узнал в доисторические времена. Углерод обозначается символом C (лат. carboneum – рождающий уголь), расположен в 14 группе таблицы Менделеева. Три изотопа этого элемента встречаются в природе: ¹²C и ¹³C - стабильны, ¹⁴C- радиоактивный, с периодом полураспада 5730 лет.

Кристалл алмаза (6 мм) с включением граната. Якутия. Образец ИГЕМ РАН. Фото: взято из en.wikipedia.org 

Понятие аллотропии (от др.-греч. ἄλλος «другой» + τρόπος «поворот»), как существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам, введено в науку шведским минералогом Якобом Берцелиусом в 1841 году. Д. И. Менделеев первым предположил, что разница в свойствах между алмазом и графитом объясняется различным строением молекул углерода. Он писал: «Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях... Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде». Только в начале 20 века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ углерода или фосфора являются причиной аллотропии. Среди химических элементов углерод лидирует по количеству аллотропных модификаций, в настоящее время их известно более десяти. Аллотропные модификации углерода по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга, от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому. Эти аллотропы включают аморфные аллотропы - уголь, сажа, нанопена; кристаллические аллотропы — нанотрубка, алмаз, фуллерены, графит, лонсдейлит.

Образец графита из Канады, 12 см. Национальный музей естественной истории, г. Вашингтон. Фото: взято из en.wikipedia.org

Самый известный аллотроп углерода, алмаз, редкий, но довольно распространённый минерал, так как промышленные месторождения алмазов открыты на всех континентах, кроме Антарктиды. По данным на 2023 год объём мировой добычи алмазов составил 111 млн карат. Страны - лидеры по добыче алмазов, следующие (млн карат): Россия — 37, Ботсвана — 25, Канада — 15, ДР Конго — 10, Южная Африка — 6. В России основную часть добычи обеспечивает компания «АЛРОСА». Главные месторождения расположены в Республике Саха (Якутия), где находятся крупнейшие алмазоносные трубки, такие как «Юбилейная», «Мир». 

Углерод — четвёртый по распространённости химический элемент во Вселенной по массе после водорода, гелия и кислорода. Он содержится в разных объектах: в звёздах, в межзвёздном пространстве и на планетах.  Согласно одной из моделей, каждый атом углерода появился в недрах крупных звёзд в результате слияния трёх ядер гелия. Однако условия, при которых происходит это термоядерное превращение, и характеристики звёзд, наполняющих космос углеродом, остаются, по мнению учёных, не до конца понятными.

Большая часть межзвёздной пыли состоит из сложных молекул и твёрдых частиц на основе углерода. Углерод содержится в атмосферах большинства планет.