Въглерод - химични и физични свойства. Какво е въглерод? Описание, свойства и формула на въглерод Въглерод газообразно вещество

Въглеродът е може би един от най-впечатляващите елементи на химията на нашата планета, който има уникалната способност да образува огромно разнообразие от различни органични и неорганични връзки.

Накратко, въглеродни съединения, които имат уникални характеристики- основата на живота на нашата планета.

Какво е въглерод

В химическата таблица D.I. Въглеродът на Менделеев е номер шест, принадлежи към група 14 и е означен с "C".

Физични свойства

Това е водородно съединение, което е част от група биологични молекули моларна масаи чието молекулно тегло е 12.011, точката на топене е 3550 градуса.

Степента на окисление на даден елемент може да бъде: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, а плътността е 2,25 g/cm3.

IN агрегатно състояниеВъглеродът е твърдо вещество и кристалната решетка е атомна.

Въглеродът има следните алотропни модификации:

графит;
фулерен;
карабина

Атомна структура

Атом на дадено вещество има електронна конфигурациятип - 1S 2 2S 2 2P 2. На външното ниво атомът има 4 електрона, разположени в две различни орбитали.

Ако вземем възбуденото състояние на елемента, тогава неговата конфигурация става 1S 2 2S 1 2P 3.

Освен това атомът на дадено вещество може да бъде първичен, вторичен, третичен и четвъртичен.

Химични свойства

Да останеш вътре нормални условия, елементът е инертен и взаимодейства с метали и неметали при повишени температури:

взаимодейства с метали, което води до образуване на карбиди;
реагира с флуор (халоген);
при повишени температури взаимодейства с водород и сяра;
когато температурата се повиши, осигурява редукция на металите и неметалите от оксиди;
при 1000 градуса взаимодейства с водата;
светва, когато температурата се повиши.

Производство на въглерод

Въглеродът може да се намери в природата под формата на черен графит или, много рядко, под формата на диамант. Неестественият графит се получава чрез взаимодействие на кокс със силициев диоксид.

Неестествените диаманти се произвеждат чрез прилагане на топлина и налягане заедно с катализатори. Това стопява метала и полученият диамант излиза като утайка.

Добавянето на азот води до жълтеникави диаманти, докато добавянето на бор произвежда синкави диаманти.

История на откритието

Въглеродът се използва от хората от древни времена. Гърците са познавали графита и въглищата, а диамантите са открити за първи път в Индия. Между другото, хората често приемаха подобни на вид съединения като графит. Но въпреки това графитът се използва широко за писане, защото дори думата „графо“ с гръцки езикпреведено като „пиша“.

В момента графитът се използва и в писането, по-специално може да се намери в моливи. В началото на 18 век в Бразилия започва търговията с диаманти, открити са много находища и още през втората половина на 20 век хората се научили да получават неестествени скъпоценни камъни.

На понастоящемфалшивите диаманти се използват в индустрията, докато истинските диаманти се използват в бижутата.

Ролята на въглерода в човешкото тяло

Въглеродът влиза в човешкото тяло заедно с храната, през деня - 300 г. А общото количество на веществото в човешкото тяло е 21% от телесното тегло.

Този елемент се състои от 2/3 мускули и 1/3 кости.И газът се отстранява от тялото заедно с издишвания въздух или с урея.

Не струва нищо:Без това вещество животът на Земята е невъзможен, тъй като въглеродът образува връзки, които помагат на тялото да се бори с разрушителното влияние на околния свят.

По този начин елементът е способен да образува дълги вериги или пръстени от атоми, които осигуряват основата за много други важни връзки.

Поява на въглерод в природата

Елементът и неговите съединения могат да бъдат намерени навсякъде. На първо място, отбелязваме, че веществото съставлява 0,032% от общото количество на земната кора.

Един единствен елемент може да се намери във въглищата.А кристалният елемент се намира в алотропни модификации. Освен това количеството въглероден диоксид във въздуха непрекъснато нараства.

По-висока концентрация на елемента в заобикаляща средамогат да бъдат намерени като съединения с различни елементи. Например, въглеродният диоксид се съдържа във въздуха в количество от 0,03%. Минерали като варовик или мрамор съдържат карбонати.

Всички живи организми съдържат съединения на въглерод с други елементи.Освен това останките от живи организми се превръщат в находища като нефт и битум.

Приложение на карбон

Съединенията на този елемент са широко използвани във всички области на нашия живот и списъкът с тях може да бъде безкраен, затова ще посочим няколко от тях:

графитът се използва в моливи и електроди;
диамантите се използват широко в бижутерията и пробиването;
въглеродът се използва като редуциращ агент за отстраняване на елементи като желязна руда и силиций;
активният въглен, състоящ се главно от този елемент, се използва широко в областта на медицината, индустрията и ежедневието.

Въглеродът е познат от древни времена. През 1778 г. К. Шееле, нагрявайки графит със селитра, открива, че в този случай, както при нагряване на въглища със селитра, се отделя въглероден диоксид. Химичен съставдиамантът е създаден в резултат на експериментите на А. Лавоазие (1772) за изучаване на изгарянето на диамант във въздуха и изследванията на С. Тенант (1797), който доказва, че еднакви количества диамант и въглища произвеждат еднакви количества въглероден диоксид по време на окисление. Въглеродът като химичен елемент е признат едва през 1789 г. от А. Лавоазие. IN началото на XIX V. старата дума въглища в руската химическа литература понякога се заменя с думата „карбонат“ (Scherer, 1807; Severgin, 1815); От 1824 г. Соловьов въвежда името въглерод. Карбонът получава латинското си наименование carbonum от carbo - въглища.

Касова бележка:

Непълно изгаряне на метан: CH 4 + O 2 = C + 2H 2 O (сажди);
Суха дестилация на дърва, въглища (дървени въглища, кокс).

Физични свойства:

Известни са няколко кристални модификации на въглерода: графит, диамант, карбин, графен.
Графит- сиво-черна, непрозрачна, мазна на пипане, люспеста, много мека маса с метален блясък. При стайна температура и нормално налягане (0,1 Mn/m2 или 1 kgf/cm2) графитът е термодинамично стабилен. При атмосферно наляганеи температура около 3700°C, графитът сублимира. Течен въглерод може да се получи при налягания над 10,5 Mn/m2 (1051 kgf/cm2) и температури над 3700°C. Структурата на финокристалния графит е в основата на структурата на "аморфния" въглерод, който не представлява самостоятелна модификация (кокс, сажди, въглен). Нагряването на някои разновидности на "аморфния" въглерод над 1500-1600°C без достъп на въздух води до превръщането им в графит. Физичните свойства на "аморфния" въглерод до голяма степен зависят от дисперсията на частиците и наличието на примеси. Плътността, топлинният капацитет, топлопроводимостта и електрическата проводимост на "аморфния" въглерод винаги са по-високи от графита.
Диамант- много твърдо, кристално вещество. Кристалите имат гранецентрирана кубична решетка: a=3,560. При стайна температура и нормално налягане диамантът е метастабилен. Забележима трансформация на диаманта в графит се наблюдава при температури над 1400°C във вакуум или в инертна атмосфера.
Карбинполучени изкуствено. Представлява финокристален черен прах (плътност 1,9 - 2 g/cm3). Изграден от дълги вериги от С атоми, разположени успоредно един на друг.
Графен- мономолекулен слой (слой с дебелина една молекула) от въглеродни атоми, които са плътно опаковани в двуизмерна решетка, оформена като пчелна пита. Графенът е получен и изследван за първи път от Александър Гейм и Константин Новоселов, които стават лауреати за това откритие Нобелова наградапо физика 2010 г.

Химични свойства:

Въглеродът е неактивен, на студено реагира само с F2 (образувайки CF4). При нагряване той реагира с много неметали и сложни вещества, проявяващи възстановителни свойства:
CO 2 + C = CO над 900°C
2H 2 O + C = CO 2 + H 2 над 1000°C или H 2 O + C = CO + H 2 над 1200°C
CuO + C = Cu + CO
HNO 3 + 3C = 3 CO 2 + 4 NO + 2 H 2 O
Слабите окислителни свойства се проявяват при реакции с метали, водород
Ca + C = CaC 2 калциев карбид
Si + C = CSi карборунд
CaO + C = CaC 2 + CO

Най-важните връзки:

Оксиди CO, CO 2
Карбонова киселина H 2 CO 3, калциеви карбонати (креда, мрамор, калцит, варовик),
Карбиди SaS 2
Органична материя, например въглеводороди, протеини, мазнини

Приложение:

Графитът се използва в производството на моливи и също така се използва като смазка при особено високи или ниски температури. Диамантът се използва като абразив и като скъпоценен камък в бижутата. Шлифовъчните приставки на бормашините са покрити с диамант. Във фармакологията и медицината се използват въглеродни съединения - производни на въглеродна киселина и карбоксилни киселини, различни хетероцикли, полимери и др. Така карболенът (активен въглен) се използва за абсорбиране и отстраняване на различни токсини от тялото; графит (под формата на мехлеми) - за лечение на кожни заболявания; радиоактивни изотопи на въглерода - за научно изследване(радиовъглеродно датиране). Въглеродът под формата на изкопаеми горива: въглища и въглеводороди (нефт, природен газ) е един от най-важните източници на енергия за човечеството.

Карпенко Д.
HF Тюменски държавен университет 561gr.

източници:
Въглерод // Уикипедия. Дата на актуализация: 18.01.2019 г. URL: https://ru.wikipedia.org/?oldid=97565890 (дата на достъп: 04.02.2019 г.).

Въглеродът (C) е шестият елемент от периодичната таблица с атомно тегло 12. Елементът е неметал и има изотоп 14 C. Структурата на въглеродния атом е в основата на цялата органична химия, тъй като всички органични вещества включват въглеродни молекули .

въглероден атом

Позицията на въглерода в периодичната таблица на Менделеев:

шести пореден номер;
четвърта група;
втори период.

Ориз. 1. Позиция на въглерода в периодичната таблица.

Въз основа на данните от таблицата можем да заключим, че структурата на атома на елемента въглерод включва две черупки, върху които са разположени шест електрона. Валентността на въглерода, включен в органичните вещества, е постоянна и равна на IV. Това означава, че отвън електронен нивелирИма четири електрона, а вътрешният има два.

От четирите електрона два заемат сферична 2s орбитала, а останалите два заемат 2p дъмбелна орбитала. Във възбудено състояние един електрон от 2s орбиталата отива към една от 2p орбиталите. Когато един електрон се движи от една орбитала към друга, се изразходва енергия.

Така един възбуден въглероден атом има четири несдвоени електрона. Конфигурацията му може да се изрази с формулата 2s 1 2p 3. Това прави възможно образуването на четири ковалентни връзки с други елементи. Например в молекула метан (CH4) въглеродът образува връзки с четири водородни атома - една връзка между s-орбиталите на водорода и въглерода и три връзки между p-орбиталите на въглерода и s-орбиталите на водорода.

Структурата на въглеродния атом може да бъде представена като +6C) 2) 4 или 1s 2 2s 2 2p 2.

Ориз. 2. Строеж на въглеродния атом.

Физични свойства

Въглеродът се среща естествено под формата на скали. Известни са няколко алотропни модификации на въглерода:

графит;
диамант;
карабина;
въглища;
сажди.

Всички тези вещества се различават по структурата на своята кристална решетка. Повечето твърдо- диамант - има кубична форма на въглерод. При високи температуридиамантът се превръща в графит с шестоъгълна структура.

Ориз. 3. Кристални решеткиграфит и диамант.

Химични свойства

Атомната структура на въглерода и способността му да свързва четири атома от друго вещество определят Химични свойстваелемент. Въглеродът реагира с метали, за да образува карбиди:

Ca + 2C → CaC 2;
Cr + C → CrC;
3Fe + C → Fe 3 C.

Също така реагира с метални оксиди:

2ZnO + C → 2Zn + CO 2 ;
PbO + C → Pb + CO;
SnO 2 + 2C → Sn + 2CO.

При високи температури въглеродът реагира с неметали, по-специално с водород, образувайки въглеводороди:

C + 2H 2 → CH 4.

С кислорода въглеродът образува въглероден диоксид и въглероден оксид:

C + O 2 → CO 2;
2C + O 2 → 2СО.

Въглеродният окис също се образува при взаимодействие с водата.

Разглеждането на структурните характеристики на въглеродния атом и неговото електронно състояние е фундаментално за правилното разбиране на теорията химическа структура. Нека първо разгледаме позицията на въглерода в периодичната таблица (PS). За удобство на характеризиране на елемент според PS можете да използвате следния алгоритъм:

Сериен номерелемент (№) го определя ядрен заряд (заряд номер Z), и следователно броят на протоните N$p^+$ (символ на протон - $p_1^+$) и общият брой на електроните N$\bar(e)$ (символ на електрона - $\bar(e)$ ) в ядрото. За въглерода атомният номер е 6, следователно ядрото на въглеродния атом се състои от 6 протона и 6 електрона. Схематично това разсъждение може да се запише по следния начин: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6$.

Атомна масаелемент, или масово число на изотоп (A)е равна на сумата от масите на протоните и неутроните (символ на неутрони - $n_1^0$) в ядрото, следователно от разликата можем да изчислим броя на неутроните N. За въглерода атомната маса е 12 amu, следователно броят на неутроните във въглеродния атом е 6.Схематичен запис: $A(C) =12 \textrm(amu) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

номер на период,в която се намира елементът в ПС е числено равен основен (радиален)квантово число nи определя броя на енергийните нива в атома. Понякога има друго обозначение за главното квантово число - $n_r$(според Зомерфелд). Въглеродът е във втория период на PS, следователно има две енергийни нива, основното квантово число е 2. Схематично обозначение: Ивица №. = 2 => n = 2.

Номер на групата, в който елементът се намира в PS, съответства на броя на електроните във външното енергийно ниво. Въглеродът се намира в група IV основна подгрупа, следователно има 4 електрона във външното си енергийно ниво.Схематично означение: Гр. = IV => N$\bar(e)_\textrm(valence)$ = 4.

За да обобщим, можем да кажем, че в основно (невъзбудено) състояниеНа външното енергийно ниво на въглеродния атом има 4 валентни електрона, докато s-електроните образуват електронна двойка, а 2 p-електрона не са сдвоени.

За валентния електронен слой на въглероден атом главното квантово число n е равно на 2, орбиталното квантово число l е равно на 0, което съответства на s-орбиталата и е равно на 1 за p-орбиталите; магнитно квантово число m = –l, 0, +l; т.е. m = 0 (за l = 0) и m = –1, 0, 1 (за l = 1).

Определение

Атомна орбитала (AO)е графично триизмерно изображение на електронната плътност, тоест областта на пространството, в която вероятността за намиране на електрон е максимална.

В органичните съединения въглеродният атом винаги е четиривалентен, което означава, че всичките 4 валентни електрона участват в образуването на химична връзка. Но в образуването на връзка участват само несдвоени електрони! За да се обясни несъответствието между концепцията за валентност и електронната структура на въглеродния атом, трябва да се приложи моделът възбудено състояние на въглеродния атом $C^*$, което позволява на електрона да премине от подниво 2s към 2p:

В този случай енергията, изразходвана за прехода на електрона, се компенсира от енергията, освободена при образуването на две допълнителни връзки. Този модел обаче предполага, че електронът е в четири "чисти" орбитали - една s и три p.

Тогава във възбудено състояние на атома енергията на s-орбиталата трябва да бъде по-малка от енергията на образуване на p-орбиталите. Всъщност това не е вярно. Както показват проучванията, енергията на всичките четири орбитали, образувани в резултат на „скок“ на електрон, е приблизително еднаква, съответно енергиите на образуване на връзки в молекула със същите хетероатоми (например водородни атоми в метан) също са приблизително равни и енергията на всяка от новообразуваните орбитали е по-голяма от енергията на „чиста“ s-орбитала, но по-малка от енергията на „чиста“ p-орбитала.

въглерод(лат. Carboneum), C, химичен елемент от група IV периодичната таблицаМенделеев, атомен номер 6, атомна маса 12.011. Известни са два стабилни изотопа: 12 C (98,892%) и 13 C (1,108%). От радиоактивните изотопи най-важен е 14 C с период на полуразпад (T ½ = 5,6 · 10 3 години). Малки количества 14 C (около 2·10 -10% от масата) се образуват постоянно в горните слоеве на атмосферата под въздействието на неутроните на космическото излъчване върху азотния изотоп 14 N. Специфичната активност на изотопа 14 C в остатъците от биогенен произход се използва за определяне на тяхната възраст. 14 C се използва широко като изотопен индикатор.

Историческа справка.Въглеродът е познат от древни времена. Въгленът служи за възстановяване на метали от руди, диамантът - като скъпоценен камък. Много по-късно графитът започва да се използва за направата на тигели и моливи.

През 1778 г. К. Шееле, нагрявайки графит със селитра, открива, че в този случай, както при нагряване на въглища със селитра, се отделя въглероден диоксид. Химическият състав на диаманта е установен в резултат на експериментите на А. Лавоазие (1772) за изучаване на изгарянето на диаманта във въздуха и изследванията на С. Тенант (1797), който доказва, че еднакви количества диамант и въглища произвеждат еднакви количествата въглероден диоксид по време на окисляването. Въглеродът е признат химичен елементпрез 1789 г. от Лавоазие. Карбонът получава латинското си наименование carboneum от carbo - въглища.

Разпространение на въглерода в природата.Средно въглеродно съдържание в земната кора 2,3·10 -2% от теглото (1·10 -2 в ултраосновни, 1·10 -2 - в основни, 2·10 -2 - в средни, 3·10 -2 - в киселинни скали). Въглеродът се натрупва в горната част на земната кора (биосферата): в живата материя 18% въглерод, дърво 50%, въглища 80%, нефт 85%, антрацит 96%. Значителна част от въглерода в литосферата е концентрирана във варовици и доломити.

Броят на собствените въглеродни минерали е 112; изключително голям брой органични съединенияВъглерод - въглеводороди и техните производни.

Натрупването на въглерод в земната кора е свързано с натрупването на много други елементи, които се сорбират от органичната материя и се утаяват под формата на неразтворими карбонати и др. CO 2 и въглеродната киселина играят основна геохимична роля в земната кора. По време на вулканизма се отделя огромно количество CO 2 - в историята на Земята това е бил основният източник на въглерод за биосферата.

Спрямо средното съдържание в земната кора човечеството е изключително големи количестваизвлича въглерод от недрата (въглища, нефт, природен газ), тъй като тези вкаменелости са основният източник на енергия.

Въглеродният цикъл е от голямо геохимично значение.

Въглеродът също е широко разпространен в космоса; на Слънцето се нарежда на 4-то място след водорода, хелия и кислорода.

Физични свойства на въглерода.Известни са няколко кристални модификации на въглерода: графит, диамант, карбин, лонсдейлит и др. Графитът е сиво-черна, непрозрачна, мазна на пипане, люспеста, много мека маса с метален блясък. Изграден от кристали с шестоъгълна структура: a = 2.462Å, c = 6.701Å. При стайна температура и нормално налягане (0,1 Mn/m2 или 1 kgf/cm2) графитът е термодинамично стабилен. Диамантът е много твърд кристално вещество. Кристалите имат гранецентрирана кубична решетка: a = 3,560Å. При стайна температура и нормално налягане диамантът е метастабилен. Забележима трансформация на диаманта в графит се наблюдава при температури над 1400 °C във вакуум или в инертна атмосфера. При атмосферно налягане и температура около 3700 °C графитът сублимира. Течен въглерод може да се получи при налягания над 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) и температури над 3700 °C. Твърдият въглерод (кокс, сажди, въглен) също се характеризира със състояние с нарушена структура - така нареченият „аморфен“ въглерод, който не представлява независима модификация; Структурата му се основава на структурата на финокристален графит. Нагряването на някои разновидности на "аморфния" въглерод над 1500-1600 °C без достъп на въздух води до превръщането им в графит. Физичните свойства на "аморфния" въглерод до голяма степен зависят от дисперсията на частиците и наличието на примеси. Плътността, топлинният капацитет, топлопроводимостта и електрическата проводимост на "аморфния" въглерод винаги са по-високи от графита. Карбин се получава по изкуствен път. Представлява финокристален черен прах (плътност 1,9-2 g/cm3). Изграден от дълги вериги от С атоми, разположени успоредно един на друг. Лонсдейлитът се намира в метеорити и се получава по изкуствен път.

Химични свойства на въглерода.Конфигурацията на външната електронна обвивка на въглеродния атом е 2s 2 2p 2. Въглеродът се характеризира с образуването на четири ковалентни връзки, дължащи се на възбуждането на външната електронна обвивка до състояние 2sp 3. Следователно въглеродът е еднакво способен както да привлича, така и да отдава електрони. Химическата връзка може да се осъществи благодарение на sp 3 -, sp 2 - и sp- хибридни орбитали, които съответстват на координационни числа 4, 3 и 2. Броят на валентните електрони на въглерода и броят на валентните орбитали са еднакви; това е една от причините за стабилността на връзката между въглеродните атоми.

Уникалната способност на въглеродните атоми да се свързват един с друг, за да образуват силни и дълги вериги и цикли, доведе до появата на огромен брой различни въглеродни съединения, изучавани в органичната химия.

В съединенията въглеродът показва степен на окисление -4; +2; +4. Атомен радиус 0,77Å, ковалентни радиуси 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å, съответно, в единични, двойни и тройни връзки; йонен радиус C 4- 2.60Å, C 4+ 0.20Å. При нормални условия въглеродът е химически инертен; при високи температури той се свързва с много елементи, проявявайки силни редуциращи свойства. Химическата активност намалява в следния ред: „аморфен” въглерод, графит, диамант; взаимодействието с кислорода на въздуха (горене) възниква съответно при температури над 300-500 ° C, 600-700 ° C и 850-1000 ° C с образуването на въглероден оксид (IV) CO 2 и въглероден оксид (II) CO.

CO 2 се разтваря във вода, за да образува въглеродна киселина. През 1906 г. О. Диелс получава въглероден субоксид C 3 O 2. Всички форми на въглерод са устойчиви на основи и киселини и се окисляват бавно само от много силни окислители (хромна смес, смес от концентриран HNO 3 и KClO 3 и други). "Аморфният" въглерод реагира с флуор при стайна температура, графит и диамант - при нагряване. Директната комбинация на въглерод с хлор се случва в електрическа дъга; Въглеродът не реагира с бром и йод, поради което множество въглеродни халиди се синтезират индиректно. От оксихалогениди обща формула COX 2 (където X е халоген), най-известният е хлороксид COCl (фосген). Водородът не взаимодейства с диаманта; реагира с графит и "аморфен" въглерод при високи температури в присъствието на катализатори (Ni, Pt): при 600-1000 ° C се образува главно метан CH 4, при 1500-2000 ° C - ацетилен C 2 H 2; В продуктите могат да присъстват и други въглеводороди, например етан C 2 H 6, бензен C 6 H 6. Взаимодействието на сярата с "аморфния" въглерод и графит започва при 700-800 °C, с диаманта при 900-1000 °C; във всички случаи се образува въглероден дисулфид CS 2. Други въглеродни съединения, съдържащи сяра (CS тиоксид, C 3 S 2 тион оксид, COS серен оксид и тиофосген CSCl 2), се получават индиректно. Когато CS 2 взаимодейства с метални сулфиди, се образуват тиокарбонати - соли на слаба тиокарбонова киселина. Взаимодействието на въглерод с азот за получаване на цианоген (CN) 2 възниква, когато електрически разряд преминава между въглеродни електроди в азотна атмосфера. Сред азотсъдържащите съединения важен е въглеродът практическо значениеимат циановодород HCN (синильна киселина) и неговите многобройни производни: цианиди, халоцианини, нитрили и др.. При температури над 1000 ° C въглеродът реагира с много метали, давайки карбиди. Всички форми на въглерод при нагряване редуцират металните оксиди с образуването на свободни метали (Zn, Cd, Cu, Pb и други) или карбиди (CaC 2, Mo 2 C, WC, TaC и други). Въглеродът реагира при температури над 600-800 °C с водни пари и въглероден двуокис(Газификация на горива). Отличителна черта на графита е способността му да взаимодейства с алкални металии халогениди с образуването на включващи съединения от типа C 8 Me, C 24 Me, C 8 X (където X е халоген, Me е метал). Известни са съединения на графитни включвания с HNO 3, H 2 SO 4, FeCl 3 и други (например графитен бисулфат C 24 SO 4 H 2). Всички форми на въглерод са неразтворими в обикновени неорганични и органични разтворители, но са разтворими в някои разтопени метали (напр. Fe, Ni, Co).

Националното икономическо значение на Carbon се определя от факта, че над 90% от всички първични източници на енергия, консумирани в света, идват от органично гориво, чиято доминираща роля ще продължи през следващите десетилетия, въпреки интензивното развитие на ядрената енергетика. Само около 10% от добитото гориво се използва като суровина за основен органичен синтез и нефтохимичен синтез, за производство на пластмаси и др.

Въглерод в тялото.Въглеродът е най-важният биогенен елемент, който е в основата на живота на Земята, структурна единица от огромен брой органични съединения, участващи в изграждането на организмите и осигуряващи жизнените им функции (биополимери, както и множество нискомолекулни биологично активни вещества - витамини, хормони, медиатори и други). Значителна част от енергията, необходима на организмите, се образува в клетките поради окисляването на въглерода. Появата на живот на Земята се разглежда през съвременна наукакато сложен процес на еволюция на въглеродни съединения.

Уникалната роля на въглерода в живата природа се дължи на свойствата му, които в съвкупност не се притежават от никой друг елемент от периодичната система. Между въглеродните атоми, както и между въглерода и други елементи се образуват силни химични връзки, които обаче могат да бъдат разкъсани при относително меки физиологични условия (тези връзки могат да бъдат единични, двойни и тройни). Способността на въглерода да образува 4 еквивалентни валентни връзки с други въглеродни атоми създава възможност за изграждане на въглеродни скелети от различен тип - линейни, разклонени, циклични. Показателно е, че само три елемента - С, О и Н - съставляват 98% от общата маса на живите организми. Това постига известна ефективност в живата природа: с почти неограничено структурно разнообразие от въглеродни съединения, малък брой видове химични връзки позволява значително да се намали броят на ензимите, необходими за разграждането и синтеза на органични вещества. Структурните характеристики на въглеродния атом са в основата на различни видове изомерия в органичните съединения (способността за оптична изомерия се оказва решаваща в биохимичната еволюция на аминокиселините, въглехидратите и някои алкалоиди).

Според общоприетата хипотеза на А. И. Опарин, първите органични съединения на Земята са с абиогенен произход. Източниците на въглерод са метан (CH4) и циановодород (HCN), съдържащи се в първичната атмосфера на Земята. С появата на живота, единственият източник на неорганичен въглерод, благодарение на който се формира всичко органична материябиосферата е въглероден окис (IV) (CO 2), намиращ се в атмосферата и също разтворен в естествени води под формата на HCO 3. Най-мощният механизъм за асимилация (асимилация) на въглерод (под формата на CO 2) - фотосинтезата - се извършва навсякъде от зелени растения (около 100 милиарда тона CO 2 се асимилират годишно). На Земята съществува еволюционно по-древен метод за асимилиране на CO 2 чрез хемосинтеза; в този случай хемосинтетичните микроорганизми използват не лъчистата енергия на Слънцето, а енергията на окисление неорганични съединения. Повечето животни консумират въглерод с храната под формата на готови органични съединения. В зависимост от метода на усвояване на органичните съединения е обичайно да се разграничават автотрофни организми и хетеротрофни организми. Приложение за биосинтеза на протеини и др хранителни веществамикроорганизми, използващи петролни въглеводороди като единствен източник на въглерод, е един от важните съвременни научни и технически проблеми.

Съдържанието на въглерод в живите организми, изчислено на база сухо вещество, е: 34,5-40% водни растенияи животни, 45,4-46,5% в сухоземните растения и животни и 54% в бактериите. По време на жизнената дейност на организмите, главно поради тъканното дишане, настъпва окислително разлагане на органични съединения с освобождаване на външна среда CO2. Въглеродът също се освобождава като част от по-сложни метаболитни крайни продукти. След смъртта на животните и растенията част от въглерода отново се превръща в CO 2 в резултат на процеси на гниене, извършвани от микроорганизми. Ето как се случва въглеродният цикъл в природата. Значителна част от въглерода се минерализира и образува залежи от изкопаем въглерод: въглища, нефт, варовик и др. В допълнение към основната функция - източник на въглерод - CO 2, разтворен в природни води и биологични течности, участва в поддържането на оптималната киселинност на средата за жизнените процеси. Като част от CaCO 3, въглеродът образува екзоскелета на много безгръбначни (например черупки на мекотели), а също така се намира в корали, черупки от яйца на птици и др.. Въглеродни съединения като HCN, CO, CCl 4, които преобладават в първичния атмосферата на Земята в предбиологичния период, по-късно, в процеса на биологичната еволюция, те се превърнаха в силни антиметаболити на метаболизма.

В допълнение към стабилните изотопи на въглерода, радиоактивният 14 C е широко разпространен в природата (човешкото тяло съдържа около 0,1 микрокюри). Използването на въглеродни изотопи в биологични и медицински изследвания е свързано с много големи постижения в изучаването на метаболизма и въглеродния цикъл в природата. По този начин, с помощта на радиовъглероден етикет, беше доказана възможността за фиксиране на H 14 CO 3 от растения и животински тъкани, установена е последователността на реакциите на фотосинтеза, изследван е метаболизмът на аминокиселините, пътищата на биосинтеза на много биологично активни съединения бяха проследени и т.н. Използването на 14 C допринесе за успеха молекулярна биологияв изучаването на механизмите на биосинтеза на протеини и предаване на наследствена информация. Определянето на специфичната активност на 14 C в органични остатъци, съдържащи въглерод, позволява да се прецени тяхната възраст, което се използва в палеонтологията и археологията.