Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 4 » Углерод
10:59
Углерод

Углерод известен с глубокой древности. Различные его формы: графит, сажа, древесный уголь и др. были хорошо известны средневековым алхимикам и античным мыслителям, хотя их подчас считали разными веществами. Свойства углерода и его значение для живой и неживой природы были окончательно установлены только во второй половине 19-го века, в ходе открытий переходов между органическими и неорганическими соединениями.

Изначально, при формировании планеты, основная масса углерода входила в виде раствора в состав магмы. Впоследствии, значительная его часть попали в атмосферу вследствие вулканической активности и других геотермальных выбросов. В тот период, атмосфера Земли содержала до 30% диоксида углерода по массе. Для сравнения, содержание диоксида углерода в современной атмосфере варьирует от 0,05 до 0,3% по массе, в зависимости от высоты над уровнем моря, влажности, температуры и др. факторов. И сейчас, огромные количества углерода связанны в неорганической материи земной коры в виде солей угольной кислоты.

Возникновение живой природы привело к постепенному переходу углерода в живую материю. Так как, молекулы живых тканей (углеводы, жиры, белки и пр.) имеют углеводородный каркас из атомов углерода. Фактически, любое вещество животного или растительного происхождения представляет собой молекулу углеводорода с теми или иными заместителями. Максимальное удельное содержание углерода наблюдается в высокомолекулярном лигнине растений, терпенах, а также, животных и растительных жирах. При образовании нефти из животных тканей происходит деструкция (отрыв, разрушение) всех или почти всех заместителей, остаются только фрагменты углеводородной цепочки, той или иной длинны.

За счет отложения в почве органических остатков и аккумулирования органических соединений углерода в залежах угля, нефти, торфа и природного газа, содержание углерода в атмосфере сократилось. Связанный до этого кислород высвободили фотосинтезирующие растения. Поэтому, не сложно представить, что если добыть и сжечь в атмосферном кислороде все ископаемые соединения углерода, мы вернемся к тем 20-30% содержания диоксида углерода в атмосфере. Такая атмосфера непригодна для дыхания, так как, человек получает остаточное поражение дыхательных путей, уже при содержании в воздухе 1,5-2% диоксида углерода. При содержании в воздухе диоксида углерода в 8% по массе, человек погибает за несколько минут.

Здесь мне вновь вспомнился быт шахтеров и саперов. При прокладке протяженных подземных коммуникаций (шахты, минные галереи, подземные ходы и пр.), рабочие прошлых столетий испытывали дефицит кислорода в воздухе. Тем более, что кислород также расходовали лампы и свечи системы освещения. Для борьбы с удушьем рекомендовалось применение следующих средств: развешивание по стенам галереи парусины пропитанной раствором уксуса, опрыскивание галереи известковым молоком или окуривание галереи смесью диоксида марганца (MnO2, ископаемое сырье) с поваренной солью. Как следует из того же наставления для инженерных войск, таких методов было явно недостаточно. Так как, диоксид марганца содержит всего лишь одну шестую часть по массе кислорода, способного к выделению (при переходе 4-х валентного марганца в смешанный 2-х и 3-х валентный оксид), а для его прокаливания требуется нагрев. Для нагрева могли использовать тлеющие угли или что-то вроде спиртовки, а они потребляют больше или, по крайней мере, не меньше кислорода на поддержание горения. Такой метод может иметь даже негативное действие.

Второй метод, с известковым молоком, малоэффективен, так как, жженая извести (CaO) растворяясь в воде (переходит в Ca(OH)2) дает очень густую тестообразную массу, реакция которой с диоксидом углерода (Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O) весьма медленна (лимитирована кинетикой диффузии диоксида углерода в глубину массы). Обрызгивание жидким раствором такой массы малоэффективно, так как, раствор может содержать не более 5-10% гидроксида кальция. Конечно, можно просто раскладывать по углам галерой куски негашеной извести и смачивать их водой, но это потребует большую массу гигроскопичного (притягивающего воду) материала, КПД которого будет оставлять желать много лучшего (останется много непрореагировавшего вещества во внутреннем объеме).

Кроме того, вода поднимет и без того высокую сырость в галереях, что чревато проблемами со здоровьем.

Уксус на реагирует с диоксидом углерода, его функция  лакриматорная (то есть, раздражать дыхательные пути и слизистые оболочки), в результате чего, человек дышит глубже и чаще, носоглотка очищается от слизи. Оборот воздуха через легкие увеличивается, что создает иллюзию облегчения дыхания. При высоком содержании углекислоты или угарного газа в воздухе, это только ускорит удушье.

Поэтому применяли принудительную вентиляцию подземных помещений.

По этому поводу мне вспомнился другой интересный факт. В учебнике по общей и неорганической химии для ВУЗов, под редакцией Некрасова, мне встретился рецепт состава под названием "оксигенид”. Он представляет собой смесь: хлорат калия 75%, диоксид марганца 20%, уголь 5%. Данная смесь предназначалась для получения кислорода в полевых условиях. При поджигании рыхлой горки (в огнеупорном сосуде) такого состава происходило сгорание угля, выделавшаяся тепловая энергия разлагала бертолетову соль (2KClO3KCl+3O2). Диоксид марганца катализировал эту реакцию, кроме того, выделял еще некоторое количество кислорода. Выделившийся кислород пропускали через раствор гидроксида бария или кальция (можно любую щелочь) для очистки от диоксида углерода.

Такой состав способен выделять до 20-23% кислорода от своей массы, при этом не требует посторонних нагревателей. Возможно, первоначально он был разработан и запатентован именно для нужд горняков. Другое дело, что не применялся по причине высокой цены и некоторой опасности в обращении.

Здесь можно привести пример более эффективной регенерации кислорода, при одновременном связывании диоксида углерода. На подводных лодках (особенно небольших) и ранних космических станциях использовались и до сих пор находят достаточно широкое употребление так называемые "кислородные патроны”. В полимерном корпусе располагается стеклянная капсула с пористым, гранулированным пероксидом натрия. При разбивании капсулы специальным бойком, воздух проникает внутри и реагирует с перекисью: 2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2. При этом остается сода и выделяется кислород для дыхания. Несложно подсчитать, что патрон массой в 500 гр. содержит около 400 гр. перекиси, которые выделяют около 20% кислорода (50 гр.). Основная ценность таких приборов в связывании токсичного диоксида углерода. При необходимости можно ускорить процесс регенерации, прокачивая через капсулу воздух специальным насосом, ручным (наподобие велосипедного или насоса из комплектов общевойсковой химразведки) или электрическим.

В отличие от диоксида углерода, от угарного газа не столь просто избавиться. Так как он легче воздуха, то легко проходит сквозь любые фильтрующие или адсорбционные противогазы. Для защиты от угарного газа вскоре после второй мировой войны были разработаны специальные противогазы с химической фильтрующей кассетой. Внутри кассеты содержится пор истая таблетированная смесь состава: диоксид марганца, оксид двухвалентной меди, перекись натрия и несколько каталитических добавок (смешанные оксиды переходных металлов). Эта смесь каталитически окисляет оксид углерода до углекислоты и частично связывает углекислоту. За химической кассетой расположен фильтрующий элемент с активированным углем, для задержания остатков диоксида углерода.

Такие кассеты дороги, громоздки, недолго служат и несколько нагреваются при работе. Поэтому, сейчас для защиты сотрудников МЧС и др. служб все чаще используют изолирующие противогазы с запасом кислорода в небольшом баллоне (аналогично автономным дыхательным аппаратам (АДА) подводников).

Вспомнив про активированный уголь, нельзя не отметить его значения для различных областей промышленности и народного хозяйства, в качестве прекрасного адсорбента. Имея небольшую цену, высокую физическую и химическую инертность, стабильность свойств в различных условиях и при продолжительном хранении, и высокую эффективность (1 гр. березового активированного угля имеет поверхность в 1-2 тысячи квадратных метров), активированный уголь стал легендарным адсорбентом. Получение активированного угля сводится к обработке древесного угля (в основном, березового и ольхового) перегретым паром при высоком давлении. При этом происходит не только термическая десорбция различной органики и солей с поверхности угля, но и развитие (увеличение) удельной поверхности, по принципу Ле-Шателье. При подводе энергии к системе, она переходит в такое состояние, при котором ее внутренняя энергия повышается (дабы поглотить подведенную энергию). В данном случае, поглощение энергии происходит за счет увеличения поверхности, следовательно, поверхностной энергии Гиббса.

При помещении активированного угля в воду, происходит сорбция (налипание) различных молекул на поверхности раздела фаз (твердой и жидкой), при этом снижается поверхностная энергия Гиббса. Разница в энергиях выделяется в виде тепла, при этом таблетка разрушается. Промышленные катализаторы должны иметь неизменную форму, поэтому, они активируются при не очень высоких температурах и весьма высоких давлениях (до 200-300 атм.). Сброс давления и сушка осуществляются плавно. После сушки, материал готов к использованию (таблетки аптечного активированного угля прессуют после сушки).

Выбор именно древесины лиственных пород деревьев обусловлен более равномерным содержанием в них лигнина и более низкими температурами разложения лигнина при более высоких температурах плавления. Это способствует образованию развитой системы каналов в массе материала. При пиролизе хвойных пород происходит забивание пор древесины смолой, которая при пиролизе образует плотные пробки, уменьшая удельную поверхность пека.

Углероду, как и некоторым другим материалам свойственна аллотропия, то есть, существование нескольких форм вещества, состоящих из одинаковых атомов, но отличающихся по структуре и свойствам.

Наиболее простая из аллотропных модификаций углерода – сажа, представляет собой мелкодисперсную графитную структуру, с беспорядочным расположением шестиугольных циклов. Графит – слоистая структура из параллельных сплошных "пластин”, составленных из шестиугольных циклов. В полости между слоями можно сорбировать различные вещества. Такие соединения называют – клатраты ("клатратные комплексы”), или соединения включения. Клатраты графита с кислородом или галогенами в структуре (межслойных промежутках), аналогичны по свойствам оксиликвитам – промышленным ВВ. Для производства грифеля карандашей используют графит пропитанный минеральным маслом, это несколько пластифицирует его и облегчает отделение слоев при проведении по бумаге.

Более прочной структурой углерода является алмаз, его атомы образуют сплошную трехмерную тетраэдрическую решетку. Алмаз – самое твердое из известных веществ, его твердость принята в качестве предела в шкале твердости Роквелла (шкала от 1 до 100, 1 – тальк, 100 – алмаз). Алмаз способен сгорать в чистом кислороде со значительным выделением тепла.

Позднее открыли карбин – аллотропная модификация углерода, состоящая из фрагментов углеродной цепочки с чередующимися кратными связями (-С≡С-С≡С-, =С=С=С=С=). Данное соединение имеет кристаллическую структуру и обладает свойствами полупроводника. Получают карбин каталитическим окислением ацетилена в недостатке кислорода.

Около двух десятилетий назад были открыты две удивительные формы углерода: фуллерены и углеродные нанотрубки. Но, о них мы поговорим уже в следующий раз.

Категория: Химия элементов | Просмотров: 1875 | Добавил: Chemadm | Теги: активированный уголь, дыхание, сажа, адсорбенты | Рейтинг: 4.8/29
Всего комментариев: 2
1
1  
А Вы не слышали про жидкий углерод?

1
2  
Углерод не образует жидкой аллотропной модификации. Возможно, речь идет о растворимом углероде, то есть фуллеренах и нанотрубках, они хорошо растворимы во многих органических растворителях. После испарения растворителя остается слой аморфного фуллерена.
Также, жидким углеродом могут назвать т.н. "углекислоту", то есть, сжиженный под давлением до 100-120 атмосфер диоксид углерода. Его свойства близки к свойствам жидкого азота. При испарении происходит охлаждение поверхности до -60*С. При прохождении жидкого диоксида углерода через сопловые устройства (например, раструб огнетушителя) происходит его быстрое испарение с расширением, что сопровождается характерным звуком.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]