Углерод является неметаллом, располагающимся в IV группе периодической таблицы элементов. Его атомная масса составляет 12,011 а. е. м., валентность в соединениях чаще всего четырёхвалентная. Существуют несколько аллотропных модификаций углерода, каждая из которых обладает специфическими физическими свойствами:
Графит — мягкий, темно-серый материал с металлическим блеском, отличающийся слоистой структурой. Атомы углерода образуют плоские шестиугольные решётки, слои которых удерживаются ван-дер-ваальсовыми силами, что обеспечивает лёгкое скольжение слоёв и высокую смазочные свойства. Электропроводность высокая в плоскости слоёв, низкая перпендикулярно им. Температура плавления графита превышает 3500 °C.
Алмаз — кристаллическая модификация с тетраэдрической сетью, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами через прочные ковалентные связи. Алмаз отличается исключительной твёрдостью, высокой теплоёмкостью, прозрачностью и низкой электропроводностью. Температура плавления также очень высокая, порядка 3550 °C при нормальном давлении.
Аморфный углерод — форма углерода без строгой кристаллической структуры, представленная сажей, углём, коксом. Физические свойства варьируются в зависимости от степени графитизации и пористости.
Фуллерены — молекулярные формы углерода, представленные замкнутыми сферическими, эллипсоидными или цилиндрическими структурами. Наиболее известный С₆₀ (бакминстерфуллерен) обладает молекулярной симметрией икосаэдра и высокой химической активностью при сохранении стабильной структуры.
Графен — однослойная структура, образованная плоской сетью sp²-гибридизованных атомов углерода. Отличается исключительной механической прочностью, высокой электропроводностью и теплопроводностью.
Углерод проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства в зависимости от условий и реагентов.
Взаимодействие с кислородом: в зависимости от температуры и концентрации кислорода образует окислы CO и CO₂.
При недостатке кислорода:
2C + O2 → 2CO
При избытке кислорода:
C + O2 → CO2
Взаимодействие с галогенами: при нагревании углерод реагирует с фтором, хлором, бромом и йодом с образованием тетрагалогенидов (CF₄, CCl₄ и др.).
Реакции с металлами: при высоких температурах углерод образует карбиды, например:
Ca + 2C → CaC2
Карбиды проявляют как ионные, так и ковалентные свойства в зависимости от природы металла.
С восстановительными агентами: углерод восстанавливает оксиды металлов до соответствующих простых веществ:
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
Химическая устойчивость алмаза и графита: алмаз почти не реагирует при обычных условиях, графит устойчив к большинству кислот, но активно реагирует с горячей азотной кислотой с образованием нитрованных производных.
Графит: слоистая структура с межслоевым расстоянием 0,335 нм. Связи внутри слоёв прочные ковалентные, между слоями — слабые ван-дер-ваальсовы.
Алмаз: кубическая решётка типа алмазной решётки. Каждый атом окружён четырьмя другими на расстоянии 0,154 нм, угол связи 109,5°.
Фуллерены и графен: молекулярные и двумерные структуры с гибридизацией sp², обеспечивающей делокализованную π-систему.
Углерод проявляет сп³-, сп²- и sp-гибридизацию, что определяет аллотропную форму:
Эти гибридизации определяют как физические свойства (твердость, прочность, теплопроводность), так и химическую реакционную способность углерода.
Углерод входит в состав всех органических веществ и играет ключевую роль в биогеохимических циклах. В промышленности добывается из угля, нефти, природного газа, а также перерабатывается в чистые формы: графит, алмаз, карбиды. Важнейшие промышленные процессы включают коксование угля, синтез алмазов высокотемпературным методом, производство углеродных волокон и наноматериалов.