14. Группа углерода

Углерод находится в природе в свободном, кристаллическом виде (алмаз кубической формы, шестигранный графит). В бесформенном (аморфном) виде углерод является составной частью искусственных веществ, образующихся путем разложения веществ органических (сажа, кокс, древесный уголь). В связанном виде углерод является составной частью минеральных веществ (СО₂, карбонатов, карбидов) и основной составной частью органических соединений, которых сейчас известно более полумиллиона. Ввиду того, что органические вещества (белки, жиры и углеводы) входят в состав растительных и животных организмов, углерод является самым важным биогенным элементом (составляет около 20% массы вещества живых организмов). О значении СО₂ в воздухе, как продукта питания растений. При обычной температуре С с другими элементами не соединяется. С повышением температуры его реактивность возрастает, и он соединяется с серой и галоидами. Наконец, при высокой температуре углерод соединяется со связанным кислородом, т. е. отнимает у кислородосодержащих соединений их кислород (у окислов) или, как говорится, восстанавливает их (основа производства металла из руд). С металлами углевод соединяется в карбиды: SiC, Fe₃C, Al₄C₃, В₂С, W₂C, TiC, СаС₂ и т. д. Самые важные из них СаС₂ и SiC. Карбиды бора, вольфрама и кобальта являются основой так наз. твердых металлов (видия, стеллит); их называют и спекающимися карбидами. Это материал, который наваривается на режущую кромку инструмента.

Алмаз - самое твердое из известных нам веществ. (Шкала твердости Мооса: 1. тальк, 2. каменная соль, 3. известняк, 4. плавиковый шпат, 5. апатит, 6. полевой шпат, 7. кварц, 8. топаз, 9. корунд и 10. алмаз). Оценка алмаза дается в каратах (1 карат = 0,2 г). Чистые прозрачные алмазы шлифуются в форме высоких бриллиантов или в форме плоских роз. Алмазы мутные или темные применяются в технике для резки стекла, на наконечники буравов для бурения горных пород, для резцов при обработке металлов, для ушков при вытягивании тонкой проволоки и т. д. Графит - чешуйчатый блестящий минерал, цвета темного металла. Благодаря тому, что графит сжигается только при температуре накала электрической дуги, из него изготовляют тигели для плавки металлов. Его прибавляют в литейный песок. Графит применяется также как "воронье серебро" для защиты металлов от коррозии, как смазочный материал для машин, работающих при высоких температурах; в гальванопластике графит наносится на неметаллические предметы, подлежащие металлизации, чтобы сделать их электропроводными; наконец, он используется в производстве карандашей. За последнее время графит стали применять в качестве коллоидной смазки. Ретортный уголь, осаждающийся на стенах газовых и коксовых печей, является переходом от твердого углерода к бесформенному. Он применяется для производства так наз. электротехнического угля (служащего для печей и ламп, батарей, микрофонов, электродвигателей, генераторов постоянного тока и для углеродистых кирпичей футеровки электрических печей). Кокс получается в результате коксования каменного угля на коксовых и газовых заводах. Это ценное топливо в металлургической промышленности и восстановительное средство при производстве чугуна в доменной печи. Древесный уголь - это остаток перегонки древесины без доступа воздуха. Особым сортом угля является так наз. активированный уголь (производится из пробки, скорлупы орехов, костей и мяса), который характеризуется высокой адсорбционной способностью (уголь, используемый в медицине). Сажа представляет собою весьма тонкую аморфную структуру углерода. Производится она сжиганием отработавших масел при недостаточном доступе воздуха и применяется в виде черных минеральных красок.

Ни один элемент не дает такого количества соединений, как углерод. Причиной наличия такого множества соединений углерода и их большого разнообразия является исключительная способность атомов углерода соединяться не только с атомами других элементов, но также связываться взаимно в открытые или замкнутые цепи. Общее их название углеродистые соединения или органические соединения. Теперь мы знаем более полумиллиона углеродистых соединений; поэтому мы будем говорить о них в специальном разделе химии, в органической химии. В разделе неорганической химии рассматриваются только те углеродистые соединения, которые имеют особое значение для химии минеральных веществ.

Метан, СН₄, самый простой из всего большого числа углеводородов; в природе он образуется разложением органических веществ (при брожении целлюлозы) при недостаточном доступе воздуха (болотный газ, рудничный газ). В угольных шахтах метан бывает причиной рудничных катастроф. При взрыве смеси метана с воздухом потребляется кислород воздуха, почему шахтеры страдают от недостатка воздуха. Ацетилен, Н - С ≡ С - Н или С₂Н₂ производится из карбида кальция, при сжатии взрывается. В связи с его большой теплотворностью он применяется для автогенной сварки, его транспортируют в баллонах, наполненных смесью диатомовой земли, древесного угля и ацетона. В этой смеси ацетилен растворен под давлением около 12 ат. Четыреххлористый углеродССl₄ - бесцветная жидкость, хорошо растворяющая жиры. Четыреххлористый углерод негорюч, поэтому он известен как негорючий заменитель бензина. Фреон, CF₂Cl₂ (дифторидхлорметан) - негорючий, невзрывчатый и неядовитый газ, с точкой кипения 29°С; не подвергает коррозии металлические части и поэтому применяется как хладреагент в холодильных машинах. Цианистый водород, HCN, - бесцветная, сильно ядовитая жидкость, с точкой кипения 26°С. Соли ее тоже очень ядовиты. Это цианиды, из которых самым известным является KCN (цианистый калий). Нагреванием цианидов с серой образуются роданиды или сулъфоцианаты: напр. KCNS, калиевый роданид.

Окись углерода, СО (угарный газ), - бесцветный, горючий газ, без вкуса и запаха, очень ядовитый. Образуется при недостаточном сгорании угля и является составной частью почти всех горючих газов (светильного, водяного и генераторного). СО - составная часть дымовых и выхлопных газов. Поэтому весьма небезопасно ограничивать тягу в печах и оставаться в помещениях, где чувствуется запах светильного газа или работает двигатель внутреннего сгорания. СО является кровяным ядом. Вдыханием СО изменяется красящее вещество крови гемоглобин (переносящий кислород в крови) в карбоксигемоглобин, в связи с чем кровь теряет способность усваивать кислород, и пострадавший умирает от удушья. Самая большая опасность состоит в том, что угарный газ действует и в небольшой концентрации, так как способность крови воспринимать угарный газ в 200 раз больше способности крови воспринимать кислород. Угарный газ особенно опасен при рудничных катастрофах или при пожарах. Единственной защитой от него является специальная маска с фильтром, заполненным "гопкалитом", благодаря которому угарный газ переходит в почти безопасный (в небольшой концентрации) углекислый газ.

Двуокись углерода (углекислый газ), СО₂, - бесцветный газ, слабо кислый на вкус, с очень слабым едким запахом, тяжелее воздуха, негорюч. В его атмосфере из-за недостатка кислорода живые организмы погибают (как и в азоте), поэтому очень опасно спускаться в колодцы и в погреба без предварительного проветривания. СО₂ получается в большом количестве при производстве извести разложением известняка; в небольшом количестве - разложением карбонатов кислотами, реакция протекает по уравнениям: СаСО₃ = СаО + СО₂ и СаСО₃ + 2 HCl = СаСl₂ + Н₂О + СО₂. В продажу СО₂ поступает в сжатом виде, в стальных баллонах, или как твердая углекислота, так наз. "сухой лед" (для гигиенического охлаждения). СО₂ применяется для производства соды, при очистке сахарных сиропов (так наз. сатурационный газ), для производства зельтерской воды, для перегонки горючих жидкостей, для тушения пожаров и т. п. СО₂ имеет кислотный характер, его раствор в воде угольная кислота, Н₂СО₃. Соли ее являются карбонатами и подразделяются на кислые (бикарбонаты), как NaHCО₃ (бикарбоновая сода), КНСО₃, Са(НСО₃)₂ и т. д., и нормальные, как Na₂CO₃ (сода), К₂СО₃ (поташ), СаСО₃ (известняк) и т. д.

Кремний известен в аморфном (бурый порошок) или кристаллическом виде (металлические черные кристаллы). В природе встречается только в соединениях, являющихся главной составной частью земной коры. После кислорода кремний самый распространенный элемент на земном шаре. Особенно кварц (SiО₂) и его различные разновидности, а затем и различные силикаты (кремнекислые соли), являются основными составными частями пахотной земли и многочисленных минералов, глины, битумов и т. д. Самостоятельно кремний имеет значение только в электротехнике как полупроводник. Значительно ценнее его сплавы как напр. ферросилиций; они производятся в крупном масштабе. Другой сплав силумин (Si + Al + Fe); он хорошо сливается, обрабатывается и легко подвергается термической отделке (детали двигателей). Четырехфтористый кремний, SiF₄, бесцветный газ, обладающий резким запахом. На воздухе сильно дымит. Образуется под действием HF на SiO₂, т. е. при травлении стекла. Двуокись кремния, SiО₂, это основа песка, кварца и его разновидностей (горный хрусталь, дымчатый топаз, желтый цитрин, розовый розовик, лиловый аметист, черный морион, микрокристаллический агат, кремень, хальцедон, кварцит и т. д.), Кварц является постоянной составной частью пород - таких, как гранит, гнейс и порфир. Песок является строительным материалом. Совершенно белый песок, не содержащий соединений железа, служит сырьем для производства стекла. Кварцит применяется при производстве огнеупорных кирпичей (динас). Кварц служит также шлакообразующей добавкой в металлургии и сырьем при производстве ферросилиция. Приблизительно при 1550°С кварц размягчается и образует пластичную массу - кварцевое стекло, из которого изготовляются лабораторные приборы и принадлежности. Предметы из кварца очень ломки, но хорошо переносят даже довольно резкие изменения температуры. Двуокись кремния имеет кислотный характер. Следовательно, она соединяется с основными окислами с образованием силикатов, производимых от кремниевых кислот. Нам известны напр. силикаты Na₂SiO₃ и K₂SiО₃, которые производятся плавлением SiО₂ с содой или с поташом; применяются они как жидкое стекло (под давлением растворяются в воде). Затем нам известен ряд силикатов, производных от поликремниевых кислот, формулы х SiО₂ * у Н₂О. Если прибавить к раствору жидкого стекла немного кислоты, то кремниевая кислота выделится и останется в коллоидном растворе, который переходит в гель: Na₂SiО₃ + 2 HCl = 2 NaCl + H₂SiО₃. Основательно очищенная и высушенная кремниевая кислота, так наз. силикагел, представляет собою белый порошок с большой адсорбционной способностью, часто заменяющий активированный уголь. Кремниевые кислоты являются также основой опалов, инфузорной земли (кизельгур, трепел) и некоторых сланцев. Очень сложными силикатами являются каолин и глины (т. е. каолин с примесью соединений железа), асбест, тальк, слюда и т. д. Сложным искусственным силикатом является стекло, изделия стекольной промышленности. Обыкновенное натриевое стекло производится плавлением стекольной шихты (песка, соды и известняка). Если вместо соды применить поташ, то получится более твердое калийное стекло, чешский хрусталь). Оптическое стекло содержит соединения свинца. В специальные сорта стекол прибавляется борная кислота, ZnO, и др. Карбидкремния, SiC (карборунд), производится в электропечи по уравнению: SiO₂ + 3 C = SiC + 2 СО. Служит для производства карборундовых точил, силитовых сопротивлений и огнеупорных каменных кладок.