Углерод – базовый элемент нашей планеты. Он занимает менее 0.1% от массы Земли, но это один из самых «активных» элементов планеты. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы Земли в другую.

Основные запасы углерода на Земле находятся в атмосфере и в Мировом океане в виде углекислого газа – CO₂. Растения поглощают углекислый газ, затем в процессе фотосинтеза атом углерода образует разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее углерод остаётся в растениях, пока они не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу таким организмам, как грибы и термиты. Если же растения будут съедены травоядными животными, тогда углерод либо вернётся в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять теми же путями вернётся в атмосферу). Растения могут погибнуть и оказаться надолго под землёй. Тогда они превратятся в ископаемое топливо, например, в уголь, нефть, газ, известняк, торф и др.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(21). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Как видите, в природе углерод встречается практически повсюду. Он является незаменимым участником всех химических процессов, происходящих c живыми организмами. Но и в повседневной жизни человечество не может отказаться от углерода. Ежедневно мы потребляем разнообразные материалы и вещества, содержащие углерод. Это нефтепродукты, горючее, топливо, полимерные материалы (каучуки, пластмасса, волокна, плёнки, лаки, клеи, одежда), а также красители, средства защиты растений, лекарственные препараты, вкусовые и парфюмерные добавки и т.д. Получается, что человеку без углерода – никуда!

Углерод — особый элемент, потому что способен образовывать огромное многообразие органических соединений. А собственно, почему именно углерод оказался тем «счастливчиком», которому природа, а затем и человек, предоставили «эксклюзивное» право быть основой для разнообразных по своим свойствам веществ? И ещё: почему именно водород стал основным «напарником» углерода в органических соединениях? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно рассмотреть строение атомов углерода и водорода.

Строение атома углерода можно представить в виде так называемой планетарной модели, которую предложил английский физик-химик Эрнест Резерфорд, получивший за это Нобелевскую премию. Атом представляет собой мини-солнечную систему, в центре которой находится «солнце» — положительно заряженное ядро, а вокруг вращаются планеты солнечной системы — электроны. Следует отметить, что планетарная модель атома углерода — это упрощённая модель. В действительности же, электроны в атоме углерода двигаются по несколько сложной траектории. Но мы используем планетарную модель, так как она наглядна и достаточна, чтобы объяснить, как взаимодействуют между собой атомы и как они связываются друг с другом.

Но сначала рассмотрим группу элементов, атомы которых слабо взаимодействуют с атомами других элементов. Это благородные газы, такие как неон (Ne), аргон (Ar) и ксенон (Xe). В чём причина такого свойства? Всё дело в электронах!

У благородных газов (кроме гелия) во внешней оболочке ровно 8 электронов. Именно такое количество электронов делает электронную оболочку атома стабильной. Именно из-за этой «стабильности» атомы благородных газов не нуждаются в других электронах, у них всего достаточно. Углерод тоже «мечтает» стать благородным, поэтому он стремится заполнить свою внешнюю оболочку до 8 электронов. Ему необходимо ещё 4 электрона, чтобы он наконец стал благородным и успокоился. Водород тоже «мечтает» стать благородным. Но водороду легче, чем углероду: ему достаточно «добыть» себе один электрон, и он станет похож на благородный газ гелий (He) (у гелия, как и у водорода одна оболочка, но с двумя электронами).

Получается, что и атомам углерода, и атомам водорода нужны электроны. Откуда же их взять? Собравшись вместе, атомы углерода и водорода начинают делиться своими электронами друг с другом. Нет, не думайте, что они начинают отдавать или принимать электроны. Ведь в таком случае, кто-то останется «обиженным», то есть без электронов. Атомы углерода и водорода поступают мудрее. Они подходят друг к другу и «говорят»: давай объединимся и сделаем наши электроны общими. Поскольку атому водорода нужен только один электрон, ему достаточно «договориться» с одним атомом углерода. А вот атому углерода придётся «потрудиться» и договориться с четырьмя.

Вариант 1. Атом углерода может «договориться», например, с четырьмя атомами водорода. Если «переговоры» прошли удачно, в этом случае получится газ метан CH₄ (болотный газ).

Как видите, у углерода 8 электронов, у атомов водорода — по 2. Все «довольны» и все могут делать вид, что они стали благородными. Электронная формула метана записывается таким образом: 

В структурной формуле метана общая пара электронов заменяется чёрточкой. 

Вариант 2. Атом углерода может «договориться» с одним атомом углерода и тремя атомами водорода. Тогда второму атому углерода надо будет присоединить к себе ещё три атома водорода. В этом случае получится газ этан — С₂Н₆.

Вариант 2.2. Иногда между атомами углерода возникает не одинарная, а двойная или тройная связь, то есть у них не одна общая пара электронов, а две или три. Тогда им для «полного счастья» нужно меньше атомов водорода. Например, этилен (С₂Н₄) и ацетилен (С₂Н₂).

Вариант 3. Если к двум атомам углерода захочет присоединиться третий атом углерода — добро пожаловать! Получился газ пропан — С₃Н₈.

Каждый раз, присоединяя по одному атому углерода, мы будем получать новое вещество: бутан, пентан, гексан, гептан, октан. И так можно до бесконечности. Например, в основе молекулы ДНК лежит несколько сотен миллионов атомов углерода.

Вы увидели, что атомы углерода очень «коммуникабельны»: они прекрасно могут «договариваться» между собой и при этом образовывать самые разнообразные не только по длине, но и форме цепи. Эти цепи называются углеродными скелетами. Они могут быть

• линейными,
• разветвлёнными,
• замкнутыми (циклическими):

Вариант 4. Рассмотрим вещество гексан — С₆Н₁₄. Он имеет линейный углеродный скелет.

Если же атомы углерода «захотят», то они могут замкнуть кольцо, тогда получится газ циклогексан — C ₆H₁₂ или газ бензол — C₆H₆, молекулы которых имеют циклический углеродный скелет.

Но на этом изобретательность атомов углерода не заканчивается. Они могут ещё образовывать разветвлённые углеродные скелеты.

Вариант 5. Есть газ бутан. Его молекула состоит из 4 атомов углерода и 10 атомов водорода — C₄H₁₀.

А ещё есть газ изобутан. Его молекула также состоит из 4 атомов углерода и 10 атомов водорода — C ₄H₁₀. В то же время это два разных газа: изобутан имеет более низкие температуры плавления и кипения, чем бутан. В чём же подвох? А подвоха никакого нет, есть разные углеродные скелеты.

Бутан имеет линейный углеродный скелет, изобутан — разветвлённый. То есть, бутан и изобутан — изомеры.

Разница в строении может сказываться не только на химических свойствах веществ, но и на физических, таких как запах. Например, возьмём довольно простое органическое соединение — ванилин и его изомер — изованилин. Ванилин — одно из наиболее известных душистых веществ, его приятный запах знаком каждому с детства. А изованилин при нормальных условиях почти не пахнет, если же его нагреть, распространится малоприятный запах, похожий на запах гуаши. Ароматы разительно отличаются, а разницы в составе нет — C ₈H₈O₃

Таким образом, благодаря особенностям атома углерода, его соединения с водородом и другими элементами весьма многочисленны и разнообразны, а органическая химия — одна из наиболее развитых фундаментальных наук. Она является основой многих дисциплин, таких как:

• биоорганическая химия,
• химия полимеров,
• нефтехимический синтез,
• фармацевтическая химия,
• фармакология и др.