«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал – все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т.е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».
Эти слова из «Основ химии» Д.И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе – углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.
Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга – не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц – есть в активе только одного элемента – углерода.
И вообще литература по углероду – богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков-органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медико-биологической литературы...
Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе №6 назвали ее «Неисчерпаемый»!), а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного – попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.
Углерод – один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементарного углерода – алмаз или графит – была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементарного углерода – уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементарного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод – это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует в двух элементарных формах – в виде графита и алмаза.
Вам никогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств, который проходит во втором коротком периоде менделеевской таблицы по линии, отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот, кислород, фтор при обычных условиях газообразны. Углерод – в любой форме – твердое тело. Температура плавления азота – минус 210,5°C, а углерода (в виде графита под давлением свыше 100 атм.) – около плюс 4000°C...
Дмитрий Иванович Менделеев первым предположил, что эта разница объясняется полимерным строением молекул углерода. Он писал: «Если бы углерод образовывал молекулу С2, как и О2, то был бы газом». И далее: «Способность атомов угля 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. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится Cn, где n есть большая величина».
Это предположение подтвердилось в наше время. И графит, и алмаз – полимеры, состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.
По четкому замечанию профессора Ю.В. Ходакова, «если исходить из природы преодолеваемых сил, профессию гранильщика алмазов можно было бы отнести к химическим профессиям». Действительно, гранильщику приходятся преодолевать не сравнительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия, а силы химической связи, которыми объединены в молекулу алмаза углеродные атомы. Любой кристалл алмаза, даже огромный, шестисотграммовый «Куллинан» – это по существу одна молекула, молекула в высшей степени регулярного, почти идеально построенного трехмерного полимера.
Иное дело графит. Здесь полимерная упорядоченность распространяется только в двух направлениях – по плоскости, а не в пространстве. В куске графита эти плоскости образуют достаточно плотную пачку, слои которой соединены между собой не химическими силами, а более слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Вот почему так просто – даже от соприкосновения с бумагой – расслаивается графит. В то же время разорвать графитовую пластинку в поперечном направлении весьма сложно – здесь противодействует химическая связь.
Именно особенности молекулярного строения объясняют огромную разницу в свойствах графита и алмаза. Графит отлично проводит тепло и электричество, алмаз – изолятор. Графит совершенно не пропускает света – алмаз прозрачен. Какими бы способами ни окисляли алмаз, продуктом окисления будет только СО2. А окисляя графит, можно при желании получить несколько промежуточных продуктов, в частности графитовую (переменного состава) и меллитовую С6(СООН)6 кислоты. Кислород как бы вклинивается между слоями графитовой пачки и окисляет лишь некоторые углеродные атомы. В кристалле алмаза слабых мест нет, и поэтому возможно или полное окисление или полное не окисление – третьего не дано...
Итак, есть «пространственный» полимер элементарного углерода, есть «плоскостной». В принципе давно уже допускалось существование и «одномерного» – линейного полимера углерода, но в природе он не был найден.
Его получили совсем недавно, уже в 60-е годы, советские химики В.В. Коршак, А.М. Сдадков, В.И. Касаточкин и Ю.П. Кудрявцев. Новое вещество было синтезировано путем каталитического окисления ацетилена. Линейный полимер углерода назвали карбином. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами, причем под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение карбина – в фотоэлементах. Важно, что карбин не утрачивает фотопроводимости при температуре до 500°C; это намного больше, чем у других материалов того же назначения.
По словам первооткрывателей карбина, самым сложным для них было определить, какими же связями соединены в цепочку углеродные атомы. В нем могли быть чередующиеся одинарные и тройные связи (– С ≡ С – С ≡ С – С ≡), а могли быть только двойные (= С = С = С = С =). А могло быть и то и другое одновременно. Лишь через несколько лет Коршаку и Сладкову удалось доказать, что двойных связей в карбине нет. Однако, поскольку теория допускала существование углеродного линейного полимера только с двойными связями, было бы просто грешно не попытаться получить эту разновидность – по существу, четвертую модификацию элементарного углерода.
Это вещество было получено в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новый линейный полимер углерода назвали поликумуленом. Видимо, еще рано строить предположения о возможных практических применениях «младшего брата карбина» – исследования его свойств продолжаются, авторы открытия не торопятся с выводами.
Пока бесспорно лишь одно: существуют четыре модификации элементарного углерода, и каждая из них по-своему интересна.
Этот элемент всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень его окисления в разных обстоятельствах бывает то +4, то –4. В реакциях с неметаллами он электроположителен, с металлами – наоборот. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе – его формальная валентность остается по-прежнему равной четырем.
Весьма немногочисленны соединения, в которых углерод хотя бы формально проявляет валентность, отличную от четырех. Общеизвестно лишь одно такое соединение – СО, угарный газ, в котором углерод кажется двухвалентным. Именно кажется, потому что в действительности здесь более сложный тип связи. Атомы углерода и кислорода соединены 3-ковалентной поляризованной связью, и структурную формулу этого соединения пишут так: О+ ≡ С–.
В 1900 г. М. Гомберг получил органическое соединение трифенилметил (C6Н5)3C. Казалось, что атом углерода здесь трехвалентен. Но позже выяснилось, что и на этот раз необычная валентность – сугубо формальная. Трифенилметил и его аналоги – это свободные радикалы, только в отличие от большинства радикалов достаточно стабильные.
...Исторически сложилось так, что лишь очень немногие соединения углерода остались «под крышей» неорганической химии. Это окислы углерода, карбиды – его соединения с металлами, а также бором и кремнием, карбонаты – соли слабейшей угольной кислоты, сероуглерод CS2, цианистые соединения. Приходится утешаться тем, что, как это часто бывает (или бывало) на производстве, недоработку по номенклатуре компенсирует «вал». Действительно, наибольшая часть углерода земной коры содержится не в организмах растений и животных, не в угле, нефти и всей прочей органике, вместе взятой, а всего в двух неорганических соединениях – известняке CaCO3 и доломите MgCa(CО3)2. Углерод входит в состав еще нескольких десятков минералов, достаточно вспомнить о мраморе СаСО3 (с добавками), малахите Сu2(ОН)2СО3, минерале цинка смитсоните ZnCO3... Есть углерод и в магматических породах, и в кристаллических сланцах.