УГЛЕРОД

УГЛЕРОД (Carboneum, С) — химический элемент главной подгруппы

IV группы периодической системы Д. И. Менделеева; важнейший биогенный элемент, составляющий основу органических соединений, к-рые участвуют в построении живых организмов и поддержании их жизнедеятельности.

Из атомов У. состоит скелет молекул белков (см.), углеводов (c-м.), нуклеиновых кислот (см.), липидов (см.), витаминов (см.), гормонов (см.), различных медиаторов (см.) и др. Возникновение жизни (см. Жизнь) на Земле рассматривают как сложный процесс эволюции углеродистых соединений. Источниками У. на Земле служили метан (см.) и цианистый водород HCN (см. Синильная кислота) первичной атмосферы. С возникновением жизни единственным источником У. для образования органического вещества биосферы является углекислый газ биосферы. В зависимости от хим. формы углерода, используемой живыми клетками, последние делят на аутотрофные (ауто-трофы) и гетеротрофные (гетеро-трофы). Аутотрофные клетки в качестве единственного источника У. могут использовать С02, образуя из него все углеродсодержащие компоненты клетки; к ним относятся все фотосинтезирующие клетки (cai. Фотосинтез) и нек-рые бактерии (см.). Гетеротрофные клетки не способны усваивать С02 и должны получать У. в виде относительно сложных восстановленных органических соединений; к таким клеткам относятся клетки высших животных и большинство микроорганизмов. Зеленые растения осуществляют фотосинтез— образование из атмосферного С02 органических . веществ благодаря лучистой энергии Солнца (ежегодно посредством фотосинтеза на Земле ассимилируется ок. 100 млрд. т С02).

Микроорганизмы, усваивающие С02 путем так наз. хемосинтеза, используют для образования органических соединений (см.) энергию окисления неорганических веществ. Органические соединения и кислород (см.), образуемые аутотрофными организмами, служат для поддержания жизнедеятельности гетеротрофов (см. Пищевые цепи). В процессе жизнедеятельности живых организмов, в основном за счет тканевого дыхания (см. Окисление биологическое), органические соединения подвергаются окислительному распаду и С02 высвобождается в окружающую среду. Превращение части органических соединений в С02, возвращающегося в атмосферу, осуществляется также при гниении (см.), брожении (см.), горении и др. Оставшееся органическое вещество превращается в сапропель, гумус, торф, к-рые дают начало другим так наз. каустобиоли-тикам — углям, нефти, газам. Таким образом осуществляется круговорот У. в природе. В активном круговороте У. участвует лишь небольшая его часть. Ежегодное образование У. в виде органической массы составляет 1,5-1011 т. Годовой баланс У. для атмосферы определяется гл. обр. количеством У., используемого на формирование массы растений, и С02, поступающего в атмосферу при разложении органического вещества почвы; значительное количество С02 выделяется также при вулканической деятельности. Повышение содержания С02 в атмосфере вызывает повышение температуры воздуха (так наз. парниковый эффект). При повышении температуры масса растений увеличивается, снижая концентрацию С02 в атмосфере; происходит также ускорение разложения органического вещества до С02. Хозяйственная деятельность человека, приводящая к выделению С02 в процессе сжигания топлива и работы силовых установок, а также уничтожение лесов вызывают дисбаланс потоков У. из атмосферы к растениям и из почвы в атмосферу, к-рый, в свою очередь, приводит к изменениям концентрации С02 в атмосфере и температуры воздуха.

У. имеет два стабильных изотопа с массовыми числами 12 (98,89%) и 13 (1,11%), а также шесть радиоактивных изотопов с массовыми числами 9, 10, 11, 14, 15, 16. Пять из этих изотопов ультра-короткоживущие с периодами полураспада, исчисляющимися секундами и минутами, один из них — короткоживущий изотоп 1ХС (период полураспада 20,38 мин.) нашел применение в биол. исследованиях и в радиоизотопной диагностике (см.). Соединения, меченные 14С (период полураспада 5730 лет), широко используют в биохимии, физиологии растений и животных, фармакологии, микробиологии и других областях биологии и медицины. С их помощью, в частности, выяснен механизм важных стадий фотосинтеза; меченные 14С соединения успешно применяют в изучении строения молекул белков и нуклеиновых к-т, механизма синтеза и обмена нуклеиновых к-т, белков, жиров, углеводов и нек-рых других биологически активных веществ в живом организме.

14С постоянно образуется в атмосфере Земли из азота под действием нейтронов космического излучения и содержится в ней в концентрации ок. 2 - 1010% по массе, участвуя в общем круговороте У. Образующийся в атмосфере 14С усваивается растительными и животными организмами, а после их гибели содержание в них 14С уменьшается по закону радиоактивного распада. На атом основан нашедший широкое применение метод радиоуглеродного датирования, т. е. определения возраста разного рода веществ и предметов биогенного происхождения, а также геологических образований карбонатной природы.

Искусственно 14С получают путем длительного облучения нейтронами в ядер-ных реакторах азотсодержащих мишеней. Отечественной промышленностью выпускаются многочисленные соединения, меченные 14С.

Короткоживущий изотоп ПС обычно получают на циклотроне бомбардировкой мишеней, содержащих бор, протонами или дейтронами, выделяют из проточных газовых мишеней в виде 11 СО или Х1С02 и применяют в медицине (см. Радиофармацевти-ческие препараты).

14С распадается с испусканием (3-частиц с максимальной энергией Ер- = = 0,155 Мэе (100%), сопровождающего 7-излучения не имеет. “С распадается с испусканием позитронов с максимальной энергией Е3+ = 0,9608 Мэе (99,7%) и частично (0,24%) — путем электронного захвата. При этом образуется аннигиля-ционное излучение с Ет = 0,51 Мэе (ок. 200%), по к-рому обычно и определяют этот радионуклид.

По радиотоксичности 14С относят к группе Г (на рабочем месте без разрешения службы Государственного санитарного надзора могут использоваться открытые препараты, содержащие 14С, активностью до 100 мккюри или 3,7 МБк).

В природе У. встречается в свободном виде и в виде соединений с другими элементами. Известны кристаллические модификации У.: кубическая — алмаз и гексагональные — графит и лонсдейлит (см. Полиморфизм в химии). Графит представляет собой серо-черную непрозрачную мягкую массу. У. в виде кокса, сажи, древесного угля обладает неупорядоченной аморфной структурой, в основе строения к-рой лежит структура мелкокристаллического графита. Алмаз — исключительно твердое (твердость равна 10 по шкале Мооса) кристаллическое вещество. Лонсдейлит обнаружен в составе метеоритов и получен искусственно. Карбин — искусственно полученная форма У., представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета, в структуре к-рого цепочки атомов У. уложены параллельно друг другу. Алмаз и графит широко применяют в технике, промышленности, а также в медицине и мед.-биол. исследованиях. «Аморфный» У. используют как топливо и как восстановитель в металлургии, в медицине и мед.-биол. исследованиях — как эффективный адсорбент.

По распространенности на Земле У. занимает 13-е место, а на Солнце — 4-е место (после водорода, гелия и кислорода). У. обнаружен также в космосе. Содержание У. в земной коре составляет 2,3* 10"2 % но массе. В биосфере концентрация У. значительно выше. В живом веществе У. содержится ок. 18%, в древесине — 50 %, каменном угле — 80%, нефти — 85%, антраците — 96%. В атмосфере У. присутствует гл. обр. в виде С02 (0,03% по объему). В земной коре наиболее распространенными неорганическими соединениями У. являются соли угольной кислоты (см.), карбонаты и бикарбонаты. Многие минералы являются карбонатами металлов. Карбонаты и бикарбонаты щелочных металлов (см.) и щелочноземельных металлов (см.), а также большое количество диоксида углерода растворено в водах земной гидросферы. В земной коре находятся обширные запасы органического У. в составе каменных и бурых углей, торфа, горючих сланцев, нефти, асфальта, горючих газов. В сухом веществе растений У. содержится 45%, а в организме животных — ок. 60% (по другим данным, содержание У. в живых организмах в пересчете на сухое вещество составляет 34,5—40% у водных растений и животных, 45,4— 46,5% у наземных растений и животных, 54% у бактерий).

В соединениях У. проявляет валентности —4, +2, -(-4. В обычных условиях У. химически инертен, а при высоких температурах способен соединяться со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Известны соединения У. с галогенами — галогениды, в т. ч. четыреххлористый углерод (см.), смешанный фторид-хлорид углерода — фреон CF2C12 и оксигало-гениды, напр, хлороксид углерода СОС12 — фосген (см. Удушающие отравляющие вещества). С серой (см.) углерод образует сероуглерод (см.), с азотом (см.) — циан (CN)2. Соединение У. с азотом и водородом (см.) — синильная к-та и цианистые соединения (см. Синильная кислота) относятся к сильнейшим ядам (см.). При непосредственном взаимодействии с металлами У. образует карбиды, широко используемые в промышленности (напр., карбид кальция СаС2). Соединение У. с кремнием — карборунд SiC по твердости уступает только алмазу. С кислородом У. образует токсичный оксид углерода СО (см. Окись углерода), диоксид углерода С02 (см. Ангидрид угольной кислоты) и недооксид углерода С302. При растворении С02 в воде получается угольная к-та, играющая большую роль в поддержании кислотнощелочного равновесия (см.) в организме человека и животных. Особый интерес представляют соединения У. с водородом — углеводороды (см.). Большинство известных органиче

ских соединений можно считать производными углеводородов, в к-рых один или несколько атомов водорода замещены атомами или группами атомов других элементов. Возникновение огромного числа соединений У., изучаемых органической химией (см.), обусловлено уникальной способностью атомов У. образовывать прочные цепи и циклы, основанные на стабильных углерод-углеродных связях. У. образует также двойные и тройные связи. Т. о. возникают каркасы бесчисленного множества органических молекул: линейных,

УГОЛЕВ 9

разветвленных, циклических. Вследствие легкого образования связей У. с кислородом, водородом, азотом и серой в органические молекулы может включаться значительное число различных функциональных групп. Спаренные электроны образуют вокруг каждого атома У. тетраэдрическую конфигурацию, поэтому разные типы органических молекул обладают трехмерной структурой. Одной из причин разнообразия органических соединений является их изомерия (см.). Ни один из известных хим. элементов, кроме У., не может быть основой для стабильных молекул со столь разнообразными конфигурациями, размерами и функциональными группами.

В медицине элементарный У. под названием «уголь активированный» (Carbo activatus), или «Карболен» (Carbolenum), применяют при диспепсии (см.), метеоризме (см.), пищевых и других отравлениях (см.) в качестве лекарственного средства. Соединения элементарного У., напр, его диоксид, используют в анестезиологии, дерматологии и других областях медицины.

Библиогр.: Кальвин М. Химическая эволюция, М., 1971; Леви А. и Сине в и ц Ф. Структура и функция клетки, пер. с англ., с. 119, М., 1971; Л е-в и н В. И. Получение радиоактивных изотопов, М., 1972; Неницеску К. Общая химия, пер. с румын., с. 460, М., 1968; X е в е ш и Г. Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., М., 1950; Table of isotopes, ed. by

С. M. Lederer a. V. S. Shiley, N. Y. a. o., 1978. H. В. Гуляева; В. В. Бочкарев (рад.).