Въглеродът (, от латинската дума carbo – „въглища“; химичен символ С) е химичен елемент от 14 (или 4А) група, 2 период. Има пореден номер 6 и атомна маса 12,0107 u (средно).
Като член на група 14 от Периодичната система на елементите, той е неметал и тетравалентен, като неговите четири електрона се включват в ковалентни химични връзки. Има три естествено срещани изотопа, от които два – въглерод-12 (12C) и въглерод-13 (13C) са стабилни, а третият – въглерод-14 (14C) е радиоактивен с време на полуразпад от около 5730 години.
През 2016 г. е потвърдено, че ароматното съединение хексаметилбензен (молекулна формула C12H18) съдържа въглероден атом с шест връзки вместо обичайните четири.
Въглеродът е един от малкото химични елементи, известни още от Античността.
Въглеродът има няколко алотропни форми, от които най-известните са графит, диамант и аморфен въглерод. Физическите свойства на въглерода силно зависят от алотропната му форма – например диамантът е много прозрачен, докато графитът е черен и непрозрачен. Диамантът е сред най-твърдите известни материали, докато графитът е толкова мек, че оставя следи върху хартия (оттам и името му – на гръцки „пиша“). Диамантът има много ниска електрическа проводимост и е диелектрик, докато графитът е много добър проводник на електрически ток. При нормални условия диамантът има най-високата топлопроводимост от всички известни материали. Всички алотропни форми са твърди вещества при нормални условия, но в термодинамично отношение графитът е най-стабилен.
По отношение на химическите им свойства всички алотропни форми на въглерода са стабилни и дори за реакция с кислорода е необходимо нагряване до висока температура. Най-честата валентност при свързване на въглерода в неорганичните съединения като оксид е +4, но се среща и +2, -4. като например при въглеродния монооксид и други карбонилни комплекси. Най-големи запаси от въглерод се съдържат във варовиците, доломитите и въглеродния диоксид, но значителни количества въглерод има и в органичните находища от каменни въглища, торф, нефт. Въглеродът образува повече химични съединения от който и да било друг химичен елемент, с повече от 10 милиона описани до днес чисто органични съединения, като това са само малка част от теоретично възможните съединения при стандартни условия.
Наличието на въглерод в земната кора го нарежда на 15-о място от срещаните в нея елементи, а наличието му във Вселената (като маса) го подрежда на четвърто място след водорода, хелия и кислорода. Той се среща във всички живи организми, а в човешкото тяло той се нарежда на второ място след кислорода по маса (около 18,5%). Това му изобилие в природата, заедно с разнообразието от органични съединения и тяхната необичайна способност да образуват полимери при температурите, най-често срещани на Земята, правят от този химически елемент основа на живота.
История Във вид на дървени въглища, дим и сажди, въглеродът е бил известен на човечеството още в праисторията от около 100 хил. години пр. Хр. и името му е свързано с високото му съдържание във въглищата Горенето на съдържащите въглерод вещества е един от първите химични процеси, заинтригували човека.
Диамантите са открити в средата на 3 хилядолетие пр.н.е. в Китай, а в Древен Рим дървени въглища вече се произвеждат масово.
През 1722 г. Рене-Антоан Реомюр показва, че желязото се превръща в стомана чрез поглъщането на веществото, известно днес като въглерод. През 1772 г. Антоан Лавоазие демонстрира, че диамантите са форма на въглерода, като изгаря проби от въглерод и диамант и установява, че и в двата случая не се получава вода, но се отделя еднакво количество въглероден диоксид от едно и също количество изходен материал. По-късно Карл Вилхелм Шееле установява, че графитът, смятан дотогава за форма на оловото, също е разновидност на въглерода.
Елементарната природа на въглерода е установена от Лавоазие в края на 1780 г., а през 1787 г. в химичната номенклатура се появява наименованието „carbone“, от латинското „carbo“ – въглища. През 1791 г. английският химик Смитсън Тенант първи получил свободен въглерод, пропускайки фосфорни пари над нагрят тебешир. Получили се фосфат на калция и въглерод.
Фулерените, друга алотропна форма на въглерода, открита през 1985 г., включва няколко разновидности, сред които и въглеродните нанотръби. Това откритие предизвиква нов интерес към въглерода и през следващите години са открити нови алотропи, като стъкловъглерода, и е установено, че структурата на аморфния въглерод в действителност не е напълно аморфна.
Физични свойства
Въглеродът е с най-висока температура на топене и температура на сублимация от всички елементи. Той не се топи при атмосферно налягане, тъй като тройната му точка е при 10,8 ± 0,2 MPa и 4600 ± 300 K, така че той сублимира при около 3900 K.
При запалване на електрическа дъга температурата на графитните електроди се повишава до около 5800 K и те сублимират. Тоест, независимо от алотропната си форма въглеродът остава в твърдо агрегатно състояние и при най-високите температури, при които започват да се топят волфрамът или реният.
Към 2009 г. графенът изглежда като най-здравият познат материал. За да може обаче да бъде използван на практика, е необходимо да се развие технологията по получаването му.
Алотропни форми Въглеродът съществува в природата основно под три алотропни форми – графит, диамант и аморфен въглерод.
Групата на алотропните форми на въглерода покрива доста крайности в свойствата: Синтетичният диамант под форма на нанокристали е най-твърдият известен материал. Графитът е един от най-меките известни материали. Диамантът е най-добрият абразив. Графитът е отлична суха смазка. Диамантът е отличен електрически изолатор. Графитът е проводник на електричество. Диамантът има най-добрата топлопроводност от материалите, срещани в природата Някои форми на графита се използват за термоизолация (например топлинни екрани) Диамантът е силно прозрачен. Графитът е непрозрачен. Диамантът кристализира в кубична кристална решетка. Графитът кристализира в хексагонална кристална решетка. Аморфният въглерод е напълно изотропен материал. Въглеродните нанотръби са сред най-анизотропните материали, произвеждани някога.
Диамант (елмаз). Той е рядък скъпоценен камък, най-твърдото естествено вещество. Получава се при високо налягане в природата. Има кубична стереоцентрирана атомна кристална решетка (триизмерен полимер), в която всеки въглероден атом е свързани със здрави ковалентни връзки с четири други атома в тетраедри, всеки от които на разстояние от 1,5 Å. Това определя висока твърдост и лоша електропроводимост. Координационното число на въглеродните атоми е 4, дължащо се на sp3-хибридизация. Здравата въглерод-въглеродна връзка в тези тетраедри определя голямата твърдост на надраскване – той е най-твърдото познато вещество в природата. Чистият диамант е безцветен прозрачен кристал със свойството да пречупва силно светлината. Повечето диаманти са оцветени в различни цветове, като е възможно да са дори черни в зависимост от примесите. Диамантът не е електропроводим, но е добър проводник на топлината. При температура над 1000 °C в инертна атмосфера или вакуум диамантът започва да се превръща в графит, без да се топи, отделяйки топлина. В кислородна среда изгаря до CO2 при 1500 °C. В химично отношение има силно изразена инертност. Не взаимодейства с киселини, основи и метали. Разрушава се само от силни окислители – перхлорати, перманганати, бихромати и др. Синтез на диамант е постигнат след 1953 г. при Р = 300 000 атм., t° = 5000 °C, като за изходен материал е употребен графит. Графит. При обикновени условия това е по-стабилната алотропна форма. Противоположно на диаманта, графитът се намира в големи количества в природата. Полимерният порядък се разпространява в две направления – плоскост, вместо в триизмерно пространство. Въглеродът има тази форма при нормални налягания. Всеки въглероден атом е свързан с три други в хексагонална атомна кристална решетка, като формират правилни хексагонални пръстени подобно на ароматните въглеводороди и са разположени на слоеве. Между слоевете има слаби междумолекулни сили, а в рамките на слоевете – делокализирана ковалентна химична връзка. Разстоянието между въглеродните атоми в шестоъгълника е 1,43 Å, а между плоскостите – 3,35 Å. Тази структура определя свойствата на графита: мек и лесно цепещ се материал поради приплъзването на отделните слоеве. Делокализираната връзка определя добрата проводимост на електрически ток успоредно на слоевете, тъй като електроните образуват облак. Разположението на съседните слоеве е такова, че върховете на шестоъгълниците от един от тях са срещу центровете на шестоъгълниците от двата съседни слоя, като така разположението на слоевете се повтаря през един. На външен вид графитът е сиво-черно непрозрачно вещество със слаб метален блясък. Много мек, мазен на пипане, трудно топим. При слабо триене върху хартията оставя тъмносива следа. Известна е и трислойна модификация на графита, като тук разположението на слоевете се повтаря през два. Физичните и химичните свойства на двете модификации са много близки. Трислойният графит (при някои природни образци съдържанието му достига до 30%), при нагряване от 2000 – 3000 °C преминава в двуслойна структура. При раздробяване на графит трислойната му структура се увелича с до 15%. Температурата на топене на графита при повишено налягане е 3527 °C. При обикновено налягане той сублимира. Плътността на графита е 2,267 g/cm³. В химично отношение е малко по-реактивоспособен от диаманта. Изгаря по-лесно до CO2 и образува карбиди. При окислението му с концентрирана HNO3 като краен продукт се получава мелитова киселина C6(COOH)6.
Алотропните форми графит и диамант могат взаимно да се превръщат една в друга. Двумерен вариант на графита се нарича графен, но той се получава по изкуствен път. Състои се от стабилни и здрави двуизмерни структури, разположени в правилни шестоъгълници на хексагонална система. Разстоянието между атомите е 0,142 нанометра, а хексагоналната клетка има площ от 0,052 квадратни нанометра. Графенът има дебелина 1 атом и изключителни механични и физични свойства. Структурата на паралелните графенови слоеве е същата, като пластовете на графита. Тези графитени структури са били за първи път изолирани до графен с помощта на „скоч“-лента. Това са успели да направят от учени начело с Андре Гейм и Константин Новосьолов от Университета в Манчестър, Англия, съвместно с Института по микроелектроника в Черноголовка в Русия. Те изолирали, идентифицирали и изследвали графена. За публикацията си в списание Science през 2004 г. Гейм и Новоселов получават Нобелова награда по физика през 2010 г. Графенът е 100 пъти по-здрав от стоманата и притежава химична свръхрезистентност, свръхстабилност и свръхпроводимост. Поради тези и други негови свойства, графенът е материал на бъдещето, който може да замени силициевите чипове в електрониката и те да бъдат по-бързи. Тъй като е електропроводим и прозрачен, графенът е подходящ за производство на дактилни дисплеи, осветителни панели и соларни клетки. Графенови електронни елементи могат да бъдат вградени в тънки, гъвкави, устойчиви, еластични и леки пластмаси. Аморфният въглерод представлява съвкупност от въглеродни атоми, които не са подредени в кристална решетка, а по-скоро наподобяват стъкло. На практика това е графит под формата на много дребни кристали с множество дефекти и съдържащи примеси. Под формата на пудра той е основен компонент на материали като дървени въглища, сажди и активен въглен. По-рано аморфният въглерод е смятан за третата алотропна (полиморфна) форма на въглерода, днес рентгеноструктрно е доказано, че това са само много ситни и неправилно сраснали графитови кристалчета. Добива се по изкуствен начин. Важни видове аморфен въглерод са саждите, коксът, дървените и животинските въглища. Всяка от тези разновидности има своите особености и приложение. Аморфният въглерод е химически най-активен.
Другите форми на въглерода се получават по изкуствен път.