Углерод. Химия углерода и его соединений

 

1. Положение углерода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение углерода
3. Физические свойства и нахождение в природе
4. Качественные реакции
5. Химические свойства
5.1. Взаимодействие с простыми веществами
5.1.1. Взаимодействие с галогенами
5.1.2. Взаимодействие с серой и кремнием
5.1.3. Взаимодействие с водородом и фосфором 
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с активными металлами
5.1.6. Горение
5.2. Взаимодействие со сложными веществами
5.2.1. Взаимодействие с водой
5.2.2. Взаимодействие с оксидами металлов
5.2.3. Взаимодействие с серной кислотой
5.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
5.2.5. Взаимодействие с солями

Бинарные соединения углерода — карбиды

Оксид углерода (II) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 

3. Химические свойства
3.1. Взаимодействие с кислородом
3.2. Взаимодействие с хлором
3.3. Взаимодействие с водородом
3.4. Взаимодействие с щелочами
3.5. Взаимодействие с оксидами металлов
3.6. Взаимодействие с прочими окислителями

Оксид углерода (IV) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 
3. Химические свойства 
3.1. Взаимодействие с основными оксидами и основаниями 
2.3. Взаимодействие с карбонатами и гидрокарбонатами
2.4. Взаимодействие с восстановителями

Карбонаты и гидрокарбонаты 

Углерод

Положение в периодической системе химических элементов

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы  (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во 

втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода 

Электронная конфигурация  углерода в основном состоянии:

+6С 1s²2s²2p²     1s    2s   2p 

Электронная конфигурация  углерода в возбужденном состоянии:

+6С^* 1s²2s¹2p³  1s    2s   2p 

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару

в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства 

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp

3-гибридизации.

 

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

 

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n  или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

 

 

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

 

 

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Качественная реакция на карбонат-ионы CO₃^2- — взаимодействие  солей-карбонатов с сильными кислотами. Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Например, карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂

+ H₂O + CO₂

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO

3)₂

 

 

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО₂не поддерживает горение. Угарный газ CO горит голубым пламенем.

 

Соединения углерода

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

Степень окисления	Типичные соединения
+4	оксид углерода (IV) CO2 угольная кислота H 2CO3 карбонаты MeCO3 гидрокарбонаты MeHCO3
+2	оксид углерода (II) СО муравьиная кислота HCOOH
-4	метан CH4 карбиды металлов (карбид алюминия Al4C3) бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC)

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1. Углерод проявляет свойства окислителя

(с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами, и с неметаллами.

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

C  +  2F₂  → CF₄

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C   +   2S   → CS

2

C   +   Si   → SiC

1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором.

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

С   +   2Н₂  →   СН₄

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С  + N₂  →  N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются

карбиды:

4C   +   3Al → Al₄C₃

2C   +   Ca → CaC₂

1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C  +   O₂  →  CO₂

 

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C  +   O₂  →  2CO

 

Алмаз горит при высоких температурах:

 

 

Горение алмаза в жидком кислороде:

 

Графит также горит:

 

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

 

Графитовые стержни под напряжением:

 

 

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C⁰ + H₂⁺O → C⁺²O + H₂⁰

2.2. Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов. При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

Например, углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

 2ZnO + C → 2Zn + CO

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

Например, углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:

3С    +   СаО   →  СаС₂   +   СО

9С    +   2Al₂O₃  →   Al₄C₃   +   6CO

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

C +2H₂SO_4(конц) → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

C +4HNO_3(конц) → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

2.5. Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями, в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.

Например, углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:

4C   +   Na₂SO₄  →   Na₂S   +   4CO

 

Карбиды

 

Карбиды – это соединения элементов с углеродом. Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Ковалентные карбиды	Ионные карбиды
	Метаниды	Ацетилениды	Пропиниды
Это соединения углерода с неметаллами Например: SiC, B4C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -4 Например: Al4C3, Be2C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -1 Например: Na2C2, CaC2	Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин Например: Mg2C3
Частицы связаны ковалентными связями и образуют атомные кристаллы. Поэтому ковалентные карбиды химически стойкие. Окисляются только  сильными окислителями	Метаниды разлагаются водой или кислотами с образованием метана и гидроксида или соли: Например: Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4	Ацетилениды разлагаются водой или кислотами с образованием ацетилена и гидроксида или соли: Например: СаС2+ 2Н2O →  Са(OH)2 + С2Н2	Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли Например: Mg2C3 + 4HCl → 2MgCl2 + С3Н4

 

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями.

Например, карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):

SiC + 8HNO₃→ 3SiO₂ + 3CO₂ + 8NO + 4H₂O

 

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (II) («угарный газ») –  это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Способы получения

В лаборатории угарный газ  можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН  →   CO   +  H₂O

H₂C₂O₄ → CO + CO₂ + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

C + O₂ → CO₂

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

СН₄ + Н₂O → СО + 3Н₂

Также возможна паровая конверсия угля:

C⁰ + H₂⁺O → C⁺²O + H₂⁰

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

2СН₄ + 3О₂ → 2СО + 4Н₂O

 

Химические свойства

Оксид углерода (II) –  несолеобразующий оксид. За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.

1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода. Пламя окрашено в синий цвет:

2СO +  O₂ → 2CO₂

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

CO   +   Cl₂ → COCl₂

3. Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении. Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.

Например, под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:

СО + 2Н₂ → СН₃ОН

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Например, угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

CO + NaOH → HCOONa

5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов.

Например, оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

3CO  + Fe₂O₃  →  2Fe   + 3CO₂

Оксиды меди (II) и никеля (II)  также восстанавливаются угарным газом:

СО +  CuO  →  Cu    + CO₂

СО +  NiO   →  Ni  + CO₂

6.  Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Например, пероксидом натрия:

CO   +   Na₂O₂ → Na₂CO₃

 

Оксид углерода (IV)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

 

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

 

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

 

Молекула углекислого газа линейная, атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

Способы получения

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты  и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Например, карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Еще один пример: гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

NaHCO₃ + HBr → NaBr +H₂O +CO₂

2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III). Карбонаты трехвалентных металлов  необратимо  гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

2AlCl₃  +  3K₂CO₃  + 3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  CO₂↑ +  6KCl

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Например, карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

CaCO₃  →  CaO   +   CO₂

Химические свойства

Углекислый газ — типичный кислотный оксид. За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой. Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

CO₂   +    H₂O  ↔  H₂CO₃

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями. При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами. При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

Например, гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

KOH  + CO₂  → KHCO₃

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

2KOH  + CO₂  → K₂CO₃ + H₂O

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Ca(OH)₂ + CO₂  → CaCO₃ + H₂O

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами. При пропускании СО₂ через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

Например, карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

Na₂CO₃   +  CO₂   +  H₂O → 2NaHCO₃

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с  некоторыми восстановителями.

Например, углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

CO₂ + C → 2CO

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

2Мg + CO₂ → C + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

 

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

2CO₂ + 2Na₂O₂ → 2Na₂CO₃  +  O₂

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

CaCO₃   →   CaO   +   CO₂

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

(NH₄)₂CO₃ →  2NH₃  +  2H₂O  +  CO₂

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

2NaHCO₃  →   Na₂CO₃   +  CO₂   + H₂O 

 Качественной реакцией на ионы СО₃^2─  и НСО₃⁻ является их взаимодействие с более сильными кислотами, последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂.

Например, карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Na₂CO₃   +  2HCl   →  2NaCl   +  CO₂ ↑  +  H₂O

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

 NaHCO₃   +  HCl   →  NaCl   +  CO₂ ↑  +  H₂O

 

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

I ступень: CO₃^2- + H₂O = HCO₃^— + OH^—

II ступень: HCO₃^— + H₂O = H₂CO₃ + OH^—

Однако  карбонаты  и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т. е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Al₂(SO₄)₃  +  6NaHCO₃  → 2Al(OH)₃  +  6CO₂  +  3Na₂SO₄

2AlBr₃  +  3Na₂CO₃  + 3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  CO₂↑ +  6NaBr

Al₂(SO₄)₃  +  3K₂CO₃  +  3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  3CO₂↑  +  3K₂SO₄

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Углерод, химические свойства, получение

1

H

1,008

1s¹

2,1

Бесцветный газ

t°_пл=-259°C

t°_кип=-253°C

2

He

4,0026

1s²

4,5

Бесцветный газ

t°_кип=-269°C

3

Li

6,941

2s¹

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=180°C

t°_кип=1317°C

4

Be

9,0122

2s²

1,57

Светло-серый металл

t°_пл=1278°C

t°_кип=2970°C

5

B

10,811

2s² 2p¹

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

t°_пл=2300°C

t°_кип=2550°C

6

C

12,011

2s² 2p²

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

t°_пл=3550°C

t°_кип=4830°C

7

N

14,007

2s² 2p³

3,04

Бесцветный газ

t°_пл=-210°C

t°_кип=-196°C

8

O

15,999

2s² 2p⁴

3,44

Бесцветный газ

t°_пл=-218°C

t°_кип=-183°C

9

F

18,998

2s² 2p⁵

3,98

Бледно-желтый газ

t°_пл=-220°C

t°_кип=-188°C

10

Ne

20,180

2s² 2p⁶

4,4

Бесцветный газ

t°_пл=-249°C

t°_кип=-246°C

11

Na

22,990

3s¹

0,98

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=98°C

t°_кип=892°C

12

Mg

24,305

3s²

1,31

Серебристо-белый металл

t°_пл=649°C

t°_кип=1107°C

13

Al

26,982

3s² 3p¹

1,61

Серебристо-белый металл

t°_пл=660°C

t°_кип=2467°C

14

Si

28,086

3s² 3p²

1,9

Коричневый порошок / минерал

t°_пл=1410°C

t°_кип=2355°C

15

P

30,974

3s² 3p³

2,2

Белый минерал / красный порошок

t°_пл=44°C

t°_кип=280°C

16

S

32,065

3s² 3p⁴

2,58

Светло-желтый порошок

t°_пл=113°C

t°_кип=445°C

17

Cl

35,453

3s² 3p⁵

3,16

Желтовато-зеленый газ

t°_пл=-101°C

t°_кип=-35°C

18

Ar

39,948

3s² 3p⁶

4,3

Бесцветный газ

t°_пл=-189°C

t°_кип=-186°C

19

K

39,098

4s¹

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=64°C

t°_кип=774°C

20

Ca

40,078

4s²

1,0

Серебристо-белый металл

t°_пл=839°C

t°_кип=1487°C

21

Sc

44,956

3d¹ 4s²

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

t°_пл=1539°C

t°_кип=2832°C

22

Ti

47,867

3d² 4s²

1,54

Серебристо-белый металл

t°_пл=1660°C

t°_кип=3260°C

23

V

50,942

3d³ 4s²

1,63

Серебристо-белый металл

t°_пл=1890°C

t°_кип=3380°C

24

Cr

51,996

3d⁵ 4s¹

1,66

Голубовато-белый металл

t°_пл=1857°C

t°_кип=2482°C

25

Mn

54,938

3d⁵ 4s²

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

t°_пл=1244°C

t°_кип=2097°C

26

Fe

55,845

3d⁶ 4s²

1,83

Серебристо-белый металл

t°_пл=1535°C

t°_кип=2750°C

27

Co

58,933

3d⁷ 4s²

1,88

Серебристо-белый металл

t°_пл=1495°C

t°_кип=2870°C

28

Ni

58,693

3d⁸ 4s²

1,91

Серебристо-белый металл

t°_пл=1453°C

t°_кип=2732°C

29

Cu

63,546

3d¹⁰ 4s¹

1,9

Золотисто-розовый металл

t°_пл=1084°C

t°_кип=2595°C

30

Zn

65,409

3d¹⁰ 4s²

1,65

Голубовато-белый металл

t°_пл=420°C

t°_кип=907°C

31

Ga

69,723

4s² 4p¹

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=30°C

t°_кип=2403°C

32

Ge

72,64

4s² 4p²

2,0

Светло-серый полуметалл

t°_пл=937°C

t°_кип=2830°C

33

As

74,922

4s² 4p³

2,18

Зеленоватый полуметалл

t°_субл=613°C

(сублимация)

34

Se

78,96

4s² 4p⁴

2,55

Хрупкий черный минерал

t°_пл=217°C

t°_кип=685°C

35

Br

79,904

4s² 4p⁵

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

t°_пл=-7°C

t°_кип=59°C

36

Kr

83,798

4s² 4p⁶

3,0

Бесцветный газ

t°_пл=-157°C

t°_кип=-152°C

37

Rb

85,468

5s¹

0,82

Серебристо-белый металл

t°_пл=39°C

t°_кип=688°C

38

Sr

87,62

5s²

0,95

Серебристо-белый металл

t°_пл=769°C

t°_кип=1384°C

39

Y

88,906

4d¹ 5s²

1,22

Серебристо-белый металл

t°_пл=1523°C

t°_кип=3337°C

40

Zr

91,224

4d² 5s²

1,33

Серебристо-белый металл

t°_пл=1852°C

t°_кип=4377°C

41

Nb

92,906

4d⁴ 5s¹

1,6

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2468°C

t°_кип=4927°C

42

Mo

95,94

4d⁵ 5s¹

2,16

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2617°C

t°_кип=5560°C

43

Tc

98,906

4d⁶ 5s¹

1,9

Синтетический радиоактивный металл

t°_пл=2172°C

t°_кип=5030°C

44

Ru

101,07

4d⁷ 5s¹

2,2

Серебристо-белый металл

t°_пл=2310°C

t°_кип=3900°C

45

Rh

102,91

4d⁸ 5s¹

2,28

Серебристо-белый металл

t°_пл=1966°C

t°_кип=3727°C

46

Pd

106,42

4d¹⁰

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1552°C

t°_кип=3140°C

47

Ag

107,87

4d¹⁰ 5s¹

1,93

Серебристо-белый металл

t°_пл=962°C

t°_кип=2212°C

48

Cd

112,41

4d¹⁰ 5s²

1,69

Серебристо-серый металл

t°_пл=321°C

t°_кип=765°C

49

In

114,82

5s² 5p¹

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=156°C

t°_кип=2080°C

50

Sn

118,71

5s² 5p²

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=232°C

t°_кип=2270°C

51

Sb

121,76

5s² 5p³

2,05

Серебристо-белый полуметалл

t°_пл=631°C

t°_кип=1750°C

52

Te

127,60

5s² 5p⁴

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

t°_пл=450°C

t°_кип=990°C

53

I

126,90

5s² 5p⁵

2,66

Черно-серые кристаллы

t°_пл=114°C

t°_кип=184°C

54

Xe

131,29

5s² 5p⁶

2,6

Бесцветный газ

t°_пл=-112°C

t°_кип=-107°C

55

Cs

132,91

6s¹

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

t°_пл=28°C

t°_кип=690°C

56

Ba

137,33

6s²

0,89

Серебристо-белый металл

t°_пл=725°C

t°_кип=1640°C

57

La

138,91

5d¹ 6s²

1,1

Серебристый металл

t°_пл=920°C

t°_кип=3454°C

58

Ce

140,12

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=798°C

t°_кип=3257°C

59

Pr

140,91

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=931°C

t°_кип=3212°C

60

Nd

144,24

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1010°C

t°_кип=3127°C

61

Pm

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

t°_пл=1080°C

t°_кип=2730°C

62

Sm

150,36

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1072°C

t°_кип=1778°C

63

Eu

151,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=822°C

t°_кип=1597°C

64

Gd

157,25

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1311°C

t°_кип=3233°C

65

Tb

158,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1360°C

t°_кип=3041°C

66

Dy

162,50

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1409°C

t°_кип=2335°C

67

Ho

164,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1470°C

t°_кип=2720°C

68

Er

167,26

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1522°C

t°_кип=2510°C

69

Tm

168,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1545°C

t°_кип=1727°C

70

Yb

173,04

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=824°C

t°_кип=1193°C

71

Lu

174,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1656°C

t°_кип=3315°C

72

Hf

178,49

5d² 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2150°C

t°_кип=5400°C

73

Ta

180,95

5d³ 6s²

Серый металл

t°_пл=2996°C

t°_кип=5425°C

74

W

183,84

5d⁴ 6s²

2,36

Серый металл

t°_пл=3407°C

t°_кип=5927°C

75

Re

186,21

5d⁵ 6s²

Серебристо-белый металл

t°_пл=3180°C

t°_кип=5873°C

76

Os

190,23

5d⁶ 6s²

Серебристый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=3045°C

t°_кип=5027°C

77

Ir

192,22

5d⁷ 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2410°C

t°_кип=4130°C

78

Pt

195,08

5d⁹ 6s¹

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1772°C

t°_кип=3827°C

79

Au

196,97

5d¹⁰ 6s¹

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

t°_пл=1064°C

t°_кип=2940°C

80

Hg

200,59

5d¹⁰ 6s²

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

t°_пл=-39°C

t°_кип=357°C

81

Tl

204,38

6s² 6p¹

Серебристый металл

t°_пл=304°C

t°_кип=1457°C

82

Pb

207,2

6s² 6p²

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

t°_пл=328°C

t°_кип=1740°C

83

Bi

208,98

6s² 6p³

Блестящий серебристый металл

t°_пл=271°C

t°_кип=1560°C

84

Po

208,98

6s² 6p⁴

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=254°C

t°_кип=962°C

85

At

209,98

6s² 6p⁵

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=302°C

t°_кип=337°C

86

Rn

222,02

6s² 6p⁶

2,2

Радиоактивный газ

t°_пл=-71°C

t°_кип=-62°C

87

Fr

223,02

7s¹

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=27°C

t°_кип=677°C

88

Ra

226,03

7s²

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=700°C

t°_кип=1140°C

89

Ac

227,03

6d¹ 7s²

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=1047°C

t°_кип=3197°C

90

Th

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

t°_пл=1132°C

t°_кип=3818°C

93

Np

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

267

6d² 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

268

6d³ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

269

6d⁴ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

270

6d⁵ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

277

6d⁶ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

278

6d⁷ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

281

6d⁹ 7s¹

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Новая форма углерода – Наука – Коммерсантъ

Группа ученых из Оксфордского университета и исследовательского центра IBM в Швейцарии создала из атомов углерода кольцо. Новый аллотроп углерода очевидно обладает высокой химической реактивностью, но о его практическом применении пока ничего не говорится.

Чистый углерод известен в двух формах с незапамятных времен — а именно в форме алмазов и графита. В последние десятилетия к ним добавились еще два аллотропа: фуллерен (по форме нечто вроде футбольного мяча, самый распространенный вариант — 60 атомов углерода, но может быть и 540) и графен (одноатомная пленка). И за фуллерены (в 1996 году), и за графен (в 2010-м) их первооткрывателям были присуждены Нобелевские премии.

Молекулярная цепочка из атомов углерода, в которой тройная связь чередуется с одинарной, давно занимала исследователей, но они видели теоретическое препятствие: тройная связь очень жесткая, она формирует прямую линию атомов. Но, полагали многие ученые, если бы цепочка с таким чередованием была бы достаточно длинной, можно было бы связать ее в кольцо.

После появления графита были сделаны практические шаги к углеродному кольцу — несколько групп исследователей пытались как бы вырезать его лазером из графитового полотна, но получавшиеся соединения были сверхкороткоживущими.

Группа оксфордских и швейцарских ученых еще в прошлом году создала шнур из атомов углерода с чередованием тройной и одинарной связи, правда, концы приходилось «прятать» иным образом. На сей раз они использовали кольцо с химической формулой C24O6, охладили его до 5 градусов Кельвина, поместив на поверхность из химически чистой поваренной соли, и извлекли из него шесть молекул монооксида углерода (CO).

Теоретически говоря, атомы углерода могли соединиться в кольцо и при помощи двойных связей, однако, как показал анализ, получилось именно чередование тройных и одинарных связей.

По материалам «An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon». Katharina Kaiser, Lorel M. Scriven, Fabian Schulz, Przemyslaw Gawel, Leo Gross, Harry L. Anderson, журнал Science, август 2019 г.

Анатолий Кривов

Химики СПбГУ с помощью компьютерной модели обнаружили возможности для более «зеленого» использования карбида кальция

Научная работа опубликована в журнале Королевского химического общества Chemical Science.

Карбид кальция известен человечеству уже более 150 лет — это твердое вещество желтовато-белого, бежевого или серого цвета, полученное в результате соединения кальция с углеродом. Сегодня карбид кальция используют для получения газообразного ацетилена, который широко применяется в промышленности — от производства уксусной кислоты и этилового спирта, до пластмассы, каучука и ракетных двигателей.

Углерод, необходимый для синтеза карбида кальция, добывается не оптимальным с точки зрения концепции устойчивого развития способом — в шахтах. В результате запасы ископаемого ресурса истощаются (не устойчивый подход), а над поверхностью земли растет количество углерода. «Мы работаем над стратегией углерод-нейтрального цикла производства. В частности, для получения карбида кальция можно использовать углерод, добываемый при термическом разложении (пиролизе) отходов, а полученное в результате вещество — применять в промышленности для создания новых соединений», — отметил Константин Родыгин, научный сотрудник лаборатории кластерного катализа СПбГУ.

Исследование было поддержано грантом СПбГУ и проводилось в рамках проекта по актуальной химии карбида кальция, которым занимается лаборатория кластерного катализа Университета при участии исследователей из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН. Значительная часть моделирования была проведена с помощью мощностей РЦ «Вычислительный центр» Научного парка СПбГУ.

«Главным вызовом для человечества сегодня является создание промышленных процессов нового поколения, позволяющих получать важнейшие органические соединения и материалы в рамках углерод-нейтрального подхода. Особое значение имеет замена ископаемых ресурсов на возобновляемые и решение таким образом экологических задач. Как было показано в наших работах, органический синтез на базе карбида кальция открывает новые возможности для реализации углерод-нейтральных технологий. Причем ключевое значение имеет понимание химических процессов трансформации карбидных частиц в химических процессах в растворе», — отметил руководитель лаборатории кластерного катализа СПбГУ, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН академик РАН Валентин Анаников.

Предложить новую стратегию использования вещества химики смогли с помощью моделирования процессов, возникающих на уровне атомов и молекул при взаимодействии карбида кальция с водой и растворителем диметилсульфоксидом. Карбид кальция — это, по сути, соль, включающая отрицательно заряженные кислотные остатки ацетилена (так называемые ацетиленид-анионы с зарядом −2) и положительно заряженные ионы кальция. В работе исследовались кислотно-основные свойства ацетиленид-анионов, воды и некоторых других веществ в растворителе диметилсульфоксиде. В таком растворителе можно наблюдать необычную ситуацию: взаимодействие ацетиленид-анионов и воды, называемое гидролизом, идет не полностью. Образуются анионы с зарядом −1, которые потом могут вступать в широкий спектр ключевых для органического синтеза химических реакций.

«После проведения анализа выяснилось, что вместо воды можно использовать и другие протонирующие вещества для перевода ацетиленида в раствор, а в качестве растворителя для реакций с карбидом кальция можно искать альтернативные диметилсульфоксиду, еще менее токсичные и «зеленые» растворители», — рассказал соавтор статьи, ассистент Института химии СПбГУ Михаил Полынский.

Таким образом, производство с участием карбида кальция в перспективе может стать более «зеленым» не только из-за потенциально более безопасных способов добычи углерода, но и благодаря возможности карбида кальция вступать в реакции с менее токсичными растворителями.

Ассистент Института химии СПбГУ Михаил Полынский

Отметим, что одним из авторов статьи стала выпускница СПбГУ Мария Сапова, начавшая работу над проектом во время обучения в магистратуре. «Задача меня сразу привлекла: идея комбинации различных расчетных методов открывает большие возможности для моделирования сложных процессов, как, например, процесс растворения в нашем случае. Эта работа помогла не просто расширить кругозор, а выйти за рамки задач по моделированию кристаллов, которыми я занималась, и почувствовать границы применимости различных методов расчетной химии. Думаю, что такие сложные многоступенчатые подходы в моделировании должны развиваться дальше: это позволит нам приблизиться к описанию реальных экспериментов», — отметила Мария Сапова.

Как уточнил Михаил Полынский, работа на данном этапе — полностью теоретическая и заключалась в компьютерном моделировании процесса получения ацетиленидов из карбида кальция. «Для моделирования мы использовали так называемые квантово-химические методы, борн-оппенгеймеровскую молекулярную динамику. В результате такого моделирования можно сделать короткое молекулярное кино, показывающее, как выглядит движение атомов и молекул на очень коротких, пикосекундных временных интервалах», — заключил Михаил Полынский.

Земля могла получить углерод при планетарном столкновении. — Наука

Эксперименты по воссозданию условий, в которых формировалась Земля, показывают, что большая часть летучих углеродсодержащих соединений должна была испариться с поверхности планеты и рассеяться в космосе еще на ранних стадиях. А оставшуюся часть углерода «притянуло» бы к себе металлическое ядро Земли, поскольку соединения железа в его составе имеют большое сродство к углероду. Тем не менее достаточное количество углерода задержалось в земной мантии и впоследствии послужило материалом для создания органических соединений и возникновения жизни на Земле. В новом исследовании ученые предположили, откуда мог взяться этот углерод.

Геологи и петрологи — ученые, исследующие горные породы, — из Университета Райса и Вудс-Холского океанографического института проанализировали распределение углерода и серы между металлическим ядром и силикатной мантией на модели каменистой планеты, похожей на Землю. Для этого ученые создавали условия высокого давления (до нескольких гигапаскалей), имитирующие состояние земной мантии на глубине около 400 км. В экспериментах ученые пытались выяснить, как различное давление, температура и концентрации кремния и серы могут повлиять на сродство железа к углероду.

Результаты анализа показали, что, если в металлическом ядре планеты содержится много серы или кремния, углерод не стремится к ядру и может задержаться в мантии. Высокое содержание углерода в мантии и серы в ядре можно объяснить тем, что Земля когда-то столкнулась с небольшой планетой наподобие Меркурия, в результате чего ядро этой планеты, богатое серой, слилось с земным, а ее мантия — с мантией нашей планеты.

Исследование американских ученых опубликовано в журнале Nature Geoscience.

В дальнейшем исследовательская группа планирует изучить происхождение других летучих веществ, например водорода и азота. Недавно другая группа американских ученых показала, что вода на Земле, скорее всего, появилась при ее формировании, а не была занесена из космоса астероидами.

Немцы строят опытную установку для преобразования углекислого газа из атмосферы в твёрдый углерод

Усилия по сдерживанию климатических изменений на Земле не дадут должного эффекта, если не бороться с уже сложившимися последствиями. На это направлен новый европейский проект NECOC. В рамках проекта будет создана установка по прямому преобразованию выловленного из атмосферы углекислого газа в твёрдый углерод (сажу). Это не только снизит объём парниковых газов в воздухе, но также даст промышленности ценное сырьё.

В проекте NECOC (NEgative Carbon diOxide to Carbon) основными участниками являются группы и дочерние компании Технологического института Карлсруэ (KIT), Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и ряд европейских центров и лабораторий. Проект финансирует Федеральное министерство экономики и энергетики (BMWi). Бюджет рассчитан на три года и составляет 1,5 млн евро.

Все составные части будущей модульной установки контейнерного типа и необходимые техпроцессы для прямого извлечения из атмосферного воздуха углекислого газа и последующего его превращения в твёрдый гранулированный порошок чистого углерода проверены по отдельности и доказали свою пригодность для практического использования. Осталось собрать всё в единую установку и оптимизировать процессы. Собственно, это главная цель проекта NECOC. Доказать эффективность работы установки полного цикла.

«Наш проектный подход заключается в удалении CO₂ из атмосферы и превращении его в технический углерод, то есть в высокочистый углерод в виде порошка», ― говорит профессор Томас Ветцель из Института технологии термических процессов (TVT) и руководитель лаборатории жидких металлов KALLA Karlsruhe. «Таким образом, опасный парниковый газ будет превращен в сырье для высокотехнологичных применений. Технический углерод может использоваться в электронике, печати или строительстве».

Испытательная установка объединит несколько этапов процесса. Сначала с помощью прямого захвата воздуха из атмосферы будет поглощаться углекислый газ. В микроструктурированном реакторе вместе с возобновляемым водородом углекислый будет превращён в метан и воду. Затем метан подаётся в заполненный жидким оловом пузырьковый реактор. В восходящих пузырьках метана в процессе пиролиза метан разлагается на составляющие ― водород, который снова подаётся в реактор для получения синтетического метана, и твёрдый гранулированный порошок углерода (сажу).

Таким образом, будет убито два пресловутых зайца. Во-первых, атмосфера начнёт очищаться от парникового газа. Во-вторых, для промышленности появится альтернативная возможность добывать ценное сырьё, которое сегодня добывается из ископаемых ресурсов. Вероятно, в будущем подобные установки помогут привести к производству графена в товарных объёмах.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Ученые ТПУ нашли новый способ, как разорвать связь между углеродом и водородом в органических молекулах

«История этой работы началась еще в 2009 году, когда нам удалось синтезировать вещество йодобороксол сразу с двумя реакционными центрами с атомами йода и бора. Кстати, в свое время за исследование каждого из этих реакционных центров были получены Нобелевские премии, а мы смогли их соединить в одном веществе. Йодобороксол является прекурсором — это химический “строительный блок”, из которого можно построить другие вещества. И вот недавно мы нашли условия, в которых йодобороксол проявляет удивительные свойства. Мы провели реакцию в воде при комнатной температуре и получили из него высокореакционно способный интермедиат — арин (ароматическое кольцо с тройной связью), а уже из него получили новые вещества фенольного ряда. Они обладают высокой биологической и антиоксидантной активностью», — рассказывает директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Мехман Юсубов.

По словам ученого, обычная вода как «зеленый» растворитель — крайне интересная среда для проведения химических реакций, позволяющая веществам проявлять новые свойства. Кроме того, она доступна и легко регенерируется. Отметим, что обычно такие ариновые интермедиаты получают при жестком облучении или с использованием органических растворителей.

«И вот благодаря этим двум элементам — прекурсору аринового интермедиата и простой воде — нам удалось найти новый способ решения фундаментальной задачи, над которой бьются химики-органики. Эти элементы помогли провести так называемую CH-активацию — разорвать в молекуле связь между углеродом и водородом и создать новую связь “углерод-углерод”— и за счет этого получить новые перспективные вещества. Следует отметить, что обычно для этих целей используют дорогие металлсодержащие катализаторы. Ведь почему органических соединений гораздо больше, чем неорганических? Как раз за счет образования углерод-углеродной связи, когда молекулы углерода стоят рядом. При этом большая часть органических соединений содержат связь углерод-водород, эта связь самая неактивная. И чтобы получить новые соединения, нужно разорвать связь углерода и водорода для образования связи углерод-углерод», — поясняет исследователь.

Исследование соответствует концепции «Зеленая химия», направленной на снижение негативного влияния химической промышленности на окружающую среду.

«Сегодня химики во всем мире стремятся находить способы более эффективного использования веществ, минимизировать потери активного вещества в ходе реакций, находить менее токсичные способы получения соединений. Для всего этого необходимо повышать реакционную способность соединений. В этом направлении Томский политехнический занимает в мировом научном сообществе значимое место, у нас наработан большой багаж знаний и технологий. Так, в этой последней опубликованной работе мы отметили сразу три важных результата — синтез новых прекурсоров, дающих крайне интересные новые соединения, новый способ CH-активации и проведение реакции в воде», — резюмирует Мехман Юсубов.

Добавим, исследование проводится в рамках работы международного сетевого центра «Химия будущего», созданного на базе Томского политеха. Центр объединяет специалистов из России, США, Великобритании, Бельгии, Франции.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (16-13-10081), и авторы выражают благодарность за финансирования этих исследований.

It’s Elemental — Элемент углерода

Что в названии? От латинского слова древесный уголь carb .

Сказать что? Углерод произносится как KAR-ben .

Углерод, шестой по содержанию элемент во Вселенной, был известен с древних времен. Углерод чаще всего получают из угольных месторождений, хотя обычно его необходимо перерабатывать в форму, пригодную для коммерческого использования. Известно, что существуют три встречающихся в природе аллотропа углерода: аморфный, графитовый и алмазный.

Аморфный углерод образуется, когда материал, содержащий углерод, сжигается без достаточного количества кислорода для полного сгорания. Эта черная сажа, также известная как сажа, газовая сажа, канальная сажа или технический углерод, используется для изготовления чернил, красок и резиновых изделий. Из него также можно придавать форму и, помимо прочего, он используется для формирования сердечников большинства сухих аккумуляторных батарей.

Графит, один из самых мягких известных материалов, представляет собой форму углерода, которая в основном используется в качестве смазки. Хотя это действительно происходит в природе, большая часть промышленного графита производится путем обработки нефтяного кокса, остатка черной смолы, остающегося после очистки сырой нефти, в бескислородной печи.Встречающийся в природе графит встречается в двух формах: альфа и бета. Эти две формы имеют идентичные физические свойства, но разные кристаллические структуры. Весь искусственно созданный графит относится к альфа-типу. Помимо использования в качестве смазки, графит в форме, известной как кокс, в больших количествах используется при производстве стали. Кокс получают путем нагревания мягкого угля в печи без смешивания с ним кислорода. Хотя его обычно называют свинцом, черный материал, используемый в карандашах, на самом деле является графитом.

Алмаз, третья встречающаяся в природе форма углерода, является одним из самых твердых известных веществ. Хотя природные алмазы обычно используются для изготовления ювелирных изделий, большинство алмазов коммерческого качества производятся искусственно. Эти маленькие алмазы получают путем сжатия графита при высоких температурах и давлениях в течение нескольких дней или недель и в основном используются для изготовления таких вещей, как пильные диски с алмазными наконечниками. Хотя они обладают очень разными физическими свойствами, графит и алмаз отличаются только своей кристаллической структурой.

Четвертый аллотроп углерода, известный как белая сажа, был получен в 1969 году. Это прозрачный материал, который может разделить одиночный луч света на два луча, свойство, известное как двойное лучепреломление. Об этой форме углерода известно очень мало.

Большие молекулы, состоящие только из углерода, известные как бакминстерфуллерены, или бакиболлы, были недавно открыты и в настоящее время представляют большой научный интерес. Одиночный бакибол состоит из 60 или 70 атомов углерода (C ₆₀ или C ₇₀ ), связанных вместе в структуру, которая выглядит как футбольный мяч.Они могут улавливать другие атомы в пределах своей структуры, кажутся способными выдерживать большие давления и обладают магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Углерод-14, радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет, используется для определения возраста ранее живых существ с помощью процесса, известного как радиоуглеродное датирование. Теория углеродного датирования довольно проста. Ученые знают, что небольшое количество встречающегося в природе углерода — это углерод-14. Хотя углерод-14 распадается на азот-14 посредством бета-распада, количество углерода-14 в окружающей среде остается постоянным, потому что новый углерод-14 всегда создается в верхних слоях атмосферы космическими лучами.Живые существа склонны поглощать материалы, содержащие углерод, поэтому процентное содержание углерода-14 в живых существах такое же, как процентное содержание углерода-14 в окружающей среде. Когда организм умирает, он больше ничего не глотает. Углерод-14 в этом организме больше не заменяется, и процентное содержание углерода-14 начинает уменьшаться по мере его распада. Измеряя процентное содержание углерода-14 в остатках организма и предполагая, что естественное содержание углерода-14 остается постоянным с течением времени, ученые могут оценить, когда этот организм умер.Например, если концентрация углерода-14 в останках организма составляет половину естественной концентрации углерода-14, ученый может подсчитать, что этот организм умер примерно 5730 лет назад, в период полураспада углерода-14.

Существует около десяти миллионов известных соединений углерода, и их изучению посвящена целая отрасль химии, известная как органическая химия. Многие углеродные соединения необходимы для жизни, какой мы ее знаем. Некоторые из наиболее распространенных углеродных соединений: диоксид углерода (CO ₂ ), монооксид углерода (CO), сероуглерод (CS ₂ ), хлороформ (CHCl ₃ ), четыреххлористый углерод (CCl ₄ ), метан (CH ₄ ), этилен (C ₂ H ₄ ), ацетилен (C ₂ H ₂ ), бензол (C ₆ H ₆ ), этиловый спирт (C ₂ H ₅ OH) и уксусной кислоты (CH ₃ COOH).

Откуда берется углерод?

Предположим, вы должны осмотреть вселенную и сосчитать все различные элементы. Что бы вы нашли? Ну, вы бы нашли целую кучу водорода и гелия. Но есть и углерод. Вот диаграмма относительного содержания различных элементов из Википедии.

Если вы не заметили, я поставил стрелку на углеродный элемент, чтобы вы могли его видеть. Убедитесь, что вы заметили еще одну вещь. Вертикальная шкала представляет собой логарифмическую шкалу.Это означает, что водорода в 3 раза больше, чем гелия. А теперь самое интересное. Очевидно, что водород и гелий распространены. Кислород, а затем углерод — следующие два самых распространенных элемента. Намного более распространено, чем бериллий и бор, хотя в Be и B меньше протонов, чем в кислороде или углероде. О, еще одно примечание — эта диаграмма показывает относительное содержание элементов в Млечном Пути, а не во Вселенной, — но вы поняли.

Почему так много углерода? Думаю, нам стоит начать с самого начала.

Большой взрыв и частицы

От Большого взрыва появились протоны и электроны. От взаимодействия протонов и электронов можно получить нейтроны. Если у вас есть протоны, нейтроны и электроны, вы можете сделать целую кучу вещей. Ну хоть водород и гелий целую кучу. Делать тяжелые элементы становится все труднее. Изготовление элементов — тяжелая работа. Просто рассмотрите гелий-3 (это гелий с 2 ​​протонами и 1 нейтроном — обычный гелий имеет 2 нейтрона). Это схема исходного материала:

Поскольку оба протона имеют электрический заряд, между ними существует электрическое взаимодействие.Чем они ближе, тем больше электрическая сила, раздирающая их. Вы можете почувствовать, насколько сильно это взаимодействие, с двумя электрически заряженными лентами. Обычная прозрачная лента легко заряжается. Вот изображение двух одинаково заряженных лент, зажатых рядом друг с другом.

Можно подумать, что они никогда не «слипнутся» и не сделают гелий. Если бы не другое взаимодействие, вы были бы правы. Когда протоны и нейтроны сближаются, возникает другое взаимодействие — сильное взаимодействие, которое сближает их.В гелии-3 протоны и нейтрон достигли устойчивого состояния равновесия. Ключевым моментом является то, что эти частицы должны подойти очень близко, чтобы образовалась новая частица.

Подобраться очень близко — это проблема, особенно если их раздвигает электрическая сила. По сути, вам нужны две вещи. Вам нужно, чтобы частицы изначально двигались очень быстро. Во-вторых, вам нужно быть удачливым. Вам нужно быть удачливым, потому что даже если у вас есть сверхбыстрые частицы, они могут пропустить друг друга. А как победить удачу? Объем.Если вероятность их взаимодействия очень мала — вы можете просто взять ВСЕ их, чтобы увеличить шансы.

Хорошо, может быть, Вселенная производит немного гелия-3, а затем даже гелия-4, но что-то вроде бериллия? Конечно, всем нужен бериллий для создания бериллиевой сферы, необходимой для космических путешествий.

Это потребует либо большего количества взаимодействий с протонами и нейтронами, либо взаимодействий с частицами большей массы (скажем, 2 взаимодействия гелия-4 с образованием бериллия 8).Проблема в том, что чем больше количество частиц, тем меньше вероятность, что это произойдет. Итак, из Большого взрыва можно получить все, что угодно, но частицы с более высокой массой гораздо менее вероятны.

Звездное производство частиц

Есть еще одно место, где вы можете получить: а) очень быстрые частицы и б) очень много частиц, расположенных очень близко друг к другу. В звезде. Это процесс слияния в нашей звезде (также известной как СОЛНЦЕ). Во-первых, протон-протонная цепочка. В этом процессе ядра гелия создаются из протонов.Вот диаграмма из википедии.

Изображение из Википедии

По сути, вы начинаете с 4 протонов и заканчиваете гелием (и некоторыми позитронами). Как только звезда производит достаточно гелия, углерод может быть получен посредством процесса тройной альфа.

Как купить компенсацию выбросов углерода

Добро пожаловать в информационный бюллетень Climate Fwd: . Команда по климату New York Times раз в неделю рассылает читателям по электронной почте истории и идеи об изменении климата. Зарегистрируйтесь здесь , чтобы получить его на свой почтовый ящик.

Путешествие по воздуху, особенно дальние поездки, — одно из худших вещей, которые человек может сделать для изменения климата. Однако для многих отказ от полетов — не лучший вариант. Вот где может помочь компенсация за выбросы углерода. Но как вы на самом деле покупаете и используете эти компенсации?

Компенсация углерода компенсирует ваши выбросы за счет отмены выбросов парниковых газов где-то еще в мире. Деньги, которые вы платите за компенсацию, поддерживают программы, направленные на сокращение выбросов.Это могут быть проекты по развитию возобновляемых источников энергии, улавливанию метана со свалок или домашнего скота или по распространению более чистых кухонных плит.

Если вы решите купить компенсацию, у вас есть много вариантов. Некоторые авиакомпании предоставляют вам возможность купить их в рамках своих программ устойчивого развития. Многие онлайн-компании и некоммерческие организации также предлагают их.

Чтобы убедиться, что ваши деньги в конечном итоге пойдут на стоящие проекты, ищите сертификаты аудиторов или групп стандартов, таких как Gold Standard или Green-e.Компании и некоммерческие организации, занимающиеся компенсацией выбросов углерода, разместят эти сертификаты на своих веб-сайтах, если они у них есть. Некоторые группы стандартов также имеют базы данных проектов, проверенных сторонними аудиторами.

Не существует фиксированной цены на углерод, и стоимость компенсации варьируется от проекта к проекту, в зависимости от того, насколько дорого обходится выполнение данной программы, — сказала Сара Лойгерс, директор по связям с общественностью The Gold Standard. Однако в целом компенсация за выбросы углерода, вероятно, стоит меньше, чем вы думаете.

Рассмотрим поездку из Нью-Йорка в Лос-Анджелес. Согласно калькулятору выбросов углерода Международной организации гражданской авиации, пролет 2500 миль в эконом-классе будет сжигать около 0,29 метрической тонны углерода на одного пассажира. И это будет стоить около 3,26 доллара, чтобы компенсировать примерно шестичасовой перелет в одну сторону с помощью калькулятора компенсации путешествия некоммерческой организации Cool Effect. Если вы округлите до полной тонны углерода, вы все равно потратите на сайте Cool Effect всего от 3,30 до 13,18 долларов, в зависимости от проекта.

Не все программы компенсации выбросов углерода созданы равными, что стало очевидным из недавнего исследования проектов в области лесного хозяйства, проведенного ProPublica. Чтобы делать покупки с умом, проверьте, сколько денег идет на накладные расходы организации, а не на проект, который вы хотите поддержать. И следите за проектами, которые приносят побочные выгоды, такие как вклад в устойчивое развитие, улучшение качества воздуха или укрепление биоразнообразия.

Если вы действительно беспокоитесь о воздействии углерода на ваше путешествие, самое эффективное решение — как можно чаще избегать полетов.Но если для вас это нереально, компенсация выбросов углерода может быть относительно недорогим способом смягчения ущерба.

На переднем крае климатической дипломатии

Хидео Сузуки, ведущий переговорщик Японии по вопросам изменения климата, столкнулся с некоторыми, казалось бы, неразрешимыми проблемами.

Его страна подверглась критике за свою энергетическую политику, в том числе за планы по расширению использования угля, чтобы компенсировать провалившуюся программу ядерной энергетики. Японские банки также подвергались критике за финансирование угольных проектов за рубежом.

Но какая еще большая проблема стоит перед Судзуки и его коллегами? Г-н Судзуки сказал, что климатическая позиция администрации Трампа уже довольно долгое время доминирует в дипломатических разговорах.

Администрация пообещала выйти из Парижского соглашения по климату, высмеяла мрачные прогнозы о последствиях изменения климата, а дома отменила ряд экологических норм.

Если мнение президента Трампа о неотложности изменения климата не изменится, что же делать миру? Это своевременный вопрос, потому что ведущие переговорщики соберутся на два крупных саммита по климату в этом году, сначала в сентябре в Нью-Йорке, а затем в Сантьяго, Чили, в декабре.

Г-н Судзуки сказал, что можно просто двигаться дальше. По его словам, вместо того, чтобы продолжать борьбу с Соединенными Штатами из-за Парижского соглашения, участники переговоров по климату намерены добиться большего прогресса, изменив свой подход.

«Важно сосредоточить внимание на конкретных усилиях по сокращению выбросов углекислого газа», — сказал он. «О чем мы можем договориться? А как насчет климатических инноваций? »

Обезуглероживание стали и другие отрасли тяжелой промышленности должны стать одним из приоритетных направлений, сказал он, а также очистка транспорта с помощью политики, продвигающей электромобили и автомобили на топливных элементах, или инвестирования в технологии улавливания углерода.

«Я думаю, Америка все еще поддерживает это», — сказал г-н Сузуки.

Одним из примеров того, как Америка могла бы быть на борту, является множество новых федеральных налоговых льгот для промышленного улавливания углерода, которые, как ожидается, будут стимулировать его использование в ряде отраслей, включая сталелитейную, цементную, химическую и удобрения.

Это, по словам г-на Судзуки, главный вопрос для переговоров по климату, которые завершатся в Сантьяго: насколько развивающиеся страны могут сократить свои выбросы и насколько более богатые страны могут помочь этим усилиям, финансируя зеленые технологии, которые в конечном итоге принесут пользу всем?

«Это амбиции», — сказал он.

---

Из почтового ящика

Здравствуйте и добро пожаловать в новый раздел «Климат Fwd: случайный»! Каждую неделю мы получаем тонны электронных писем и, хотя не можем ответить на каждую записку, читаем их все. И некоторые из них довольно умны. Итак, подумали мы, зачем держать их при себе? Интернет был создан для обмена.

На прошлой неделе наш участник One Thing Тик Рут написал о деревьях и предположил, что посадка фикуса может быть хорошим вариантом в Южной Калифорнии. Это верно на нескольких уровнях.Они красивы, устойчивы к засухе, вырастают высокими и обеспечивают много тени. Однако несколько читателей прислали сообщения, чтобы указать, что у них также есть обширная корневая система, которая может повредить подземные трубы и кабели.

«Я надеюсь, что это не предвзятое отношение к левому берегу», — написал один читатель. Мы обещаем вам, что это не так. Мы просто хотим, чтобы информационные бюллетени были краткими и приятными. Но для справки: остерегайтесь корней фикуса в жилых районах.

Говоря о левом побережье, нас также спросили, почему мы не включили ссылку на этот Атлас деревьев изменения климата Лесной службы США, который документирует текущее и возможное будущее распространение 134 видов деревьев (и 147 видов птиц) в Восточная часть США.

Ну, потому что не покрывает определенную часть страны. Но это просто потрясающе. Так что проверьте это.

Спасибо, что прочитали Climate Fwd: и удачной вам недели.

---

Больше охвата глобального потепления

Все, что вам нужно знать … расчет вашего углеродного следа

В крупных компаниях эта задача часто делегируется внешним консультантам, но твердое понимание того, что составляет углеродный след Расчеты, а также доступ к некоторым бесплатным онлайн-инструментам могут помочь малым предприятиям получить полезную цифру внутри компании.Каким бы ни был ваш бизнес, вот как рассчитать (и компенсировать) углеродный след вашей компании.

1. О чем мы говорим

Углеродный след компании — это количество выбросов парниковых газов (ПГ), которые были произведены в результате ее деятельности. Углеродный след обычно измеряется с точки зрения годового следа, который учитывает влияние всех ключевых видов деятельности компании в течение календарного года, но производственные компании все чаще сообщают о своем следе для каждого продукта.

Какой бы ни была система измерения, единицей измерения углеродного следа являются тонны (то есть метрические тонны) эквивалента диоксида углерода (CO2-экв.). Двуокись углерода является наиболее распространенным парниковым газом, выбрасываемым в результате деятельности человека, но единица измерения CO2e легко учитывает и все другие парниковые газы (например, метан и закись азота), выражая их как двуокись углерода.

Углеродный след и учет выбросов — довольно стандартная практика в крупных корпорациях, и обычно этим занимается специализированная консалтинговая компания.Однако можно получить достаточно точную цифру самостоятельно с помощью онлайн-инструментов и электронной таблицы. Это число позволит вам определить области вашего бизнеса, в которых наиболее интенсивны выбросы, и возможности для сокращения выбросов, а также приобрести компенсацию, достаточную для покрытия вашего воздействия.

2. Почему это важно

Нам вряд ли нужно повторять критическое состояние климатического кризиса и ту роль, которую мы все играем в борьбе с ним. Расчет углеродного следа вашей компании — необходимый шаг к пониманию вклада вашей компании в глобальное потепление, чтобы вы могли определить способы его уменьшения.Кроме того, потребители все больше заинтересованы в прозрачности воздействия на окружающую среду брендов, у которых они покупают, и продуктов, которые они используют — опрос YouGov 2019 года, в котором приняли участие более 9000 потребителей по всему миру, показал, что две трети (67%) потребителей поддерживают идею узнаваемая этикетка, демонстрирующая, что продукты были изготовлены с обязательством измерить и уменьшить свой углеродный след.

3. На заметку

— Вам, вероятно, не нужно беспокоиться об «объемах». Протокол о выбросах парниковых газов (GHG Protocol) — один из наиболее широко используемых стандартов отчетности о выбросах — он требует, чтобы компании разбивали свои выбросы на три категории или объемы. Выбросы категории 1 — это выбросы, производимые на территории компании или непосредственно транспортными средствами или источниками энергии, которыми она владеет; выбросы категории 2 — это выбросы в результате закупки электроэнергии компанией; и выбросы категории 3 — это выбросы, происходящие в результате ее деятельности, но из источников, которыми компания не владеет или не контролирует.Хотя вы также можете организовать свой след в этих скобках, в этом нет необходимости, если только вы не пытаетесь сообщать о нарушении протокола GHG. Что еще более важно, ваши расчеты охватывают самые крупные и наиболее важные источники выбросов для вашего бизнеса.

— Ваш углеродный след покрывает только часть воздействия вашей компании на окружающую среду. Как следует из названия, углеродный след — это все ваши выбросы углерода (и других парниковых газов). Это не показатель использования вами природных ресурсов или отходов, производимых вашей компанией, хотя они могут повлиять на результаты расчетов.Если вы хотите получить более целостный обзор вашего воздействия на окружающую среду, рассмотрите возможность заказа оценки жизненного цикла, которая рассматривает такие вещи, как землепользование, водопользование и подкисление, а также парниковые газы. Но даже несмотря на то, что он не учитывает все, для компании, находящейся в начале своего пути к устойчивому развитию, углеродный след — хорошее начало.

— После того, как вы подсчитаете углеродный след вашей компании, вы должны что-то сделать с информацией. Настоящая победа будет заключаться в сокращении вашего абсолютного общего следа, что означает сокращение общих выбросов даже по мере роста вашего бизнеса.Следующее, что лучше всего сделать, — это найти способы сократить выбросы по отношению к объему производства, чтобы снизить выбросы на продукт, на сотрудника или на некоторую единицу дохода. Наконец, если нет возможности сократить выбросы, вы можете компенсировать свои выбросы. Компенсация означает инвестирование в проекты в объеме, позволяющем им улавливать такое же количество CO2-эквивалента, за выбросы которого несет ответственность ваш бизнес.

4. Как рассчитать (и компенсировать) углеродный след вашей компании

— Определите материальные источники выбросов. Сжигание ископаемого топлива является основным источником антропогенных выбросов двуокиси углерода. Итак, начните с размышлений обо всех способах использования электроэнергии и топлива в вашем бизнесе. Это может быть питание ваших офисов, магазинов и объектов; управлять транспортными средствами, используемыми для перевозки грузов, и машинами, используемыми для их производства; или для запуска серверов, на которых размещена ваша платформа или веб-сайт. Также рассмотрите процессы добычи сырья в начале любой из ваших цепочек поставок.

— Сбор данных о количествах. После того, как вы обдумали все ключевые места, в которых ваш бизнес использует энергию, вам нужно количественно оценить количество затраченной энергии. Итак, соберите все счета за электричество и газ, сложите мили, пройденные вашей командой и продуктами (вместе с видами транспорта), и определите общее количество и вес произведенных продуктов с разбивкой по ключевым компонентам материалов. Организуйте всю эту информацию в электронной таблице и обязательно запишите единицы измерения.

— Рассчитать площадь основания. Пришло время преобразовать все собранные данные в выбросы углерода. Специалист-консультант по устойчивому развитию, вероятно, будет иметь доступ к подробным базам данных с конкретными данными, которые могут привести к более точным расчетам, но вы можете рассчитать приблизительные цифры самостоятельно.

Для тех, кто комфортно работает с данными, поищите надежные источники факторов выбросов (например, Defra для транспорта, электроэнергии и отходов в Великобритании; EPA для того же в США; и Higg MSI для коэффициентов выбросов для материалов) и примените их к собранной вами количественной информации.Для тех, кто не любит работать с электронными таблицами, есть множество онлайн-калькуляторов, которые могут сделать преобразование за вас. Если ваш бизнес имеет дело с физическими продуктами, попробуйте Калькулятор 2030 года. Если вы занимаетесь транспортом и офисными операциями, а не производством, этот калькулятор будет более подходящим. И, если вы хотите рассчитать площадь своего веб-сайта, это простой, но точный инструмент.

— Ищите потенциальные возможности сокращения. После того, как вы определите свой след, изучите результаты, чтобы определить источники несоразмерных выбросов, и подумайте о том, где могут быть возможности уменьшить ваш след.Для компаний, работающих с физическими товарами, способ перевозки товаров может иметь огромное значение для вашей занимаемой площади. Для бизнеса, у которого много помещений, вероятно, стоит снизить потребление энергии. И, если вашим основным источником выбросов является веб-сайт, который посещает множество людей, некоторые небольшие изменения в дизайне сайта могут повысить его энергоэффективность и снизить углеродный след.

— Купить офсеты. Независимо от того, сколько сокращений вы обеспечите, маловероятно, что вам удастся сократить выбросы углекислого газа до нуля, продолжая вести бизнес.Таким образом, компенсация должна играть роль в вашей углеродной стратегии. Критики компенсационных выплат часто указывают на то, что компенсационные выплаты (дешевые и легкодоступные) освобождают организации от экологической вины без каких-либо серьезных изменений в их бизнесе. Однако до тех пор, пока вы думаете в первую очередь о сокращении, лучше компенсировать свой след, чем не компенсировать его. Одна компенсация равна сокращению одной тонны выбросов углерода, поэтому рассчитайте количество, которое вам нужно купить, а затем приобретите их у авторитетного поставщика, такого как Carbonfund.org, Gold Standard или NativeEnergy. Цены варьируются от 3 до 15 долларов за компенсацию в зависимости от проекта, который вы хотите поддержать.

— Создание процесса. Поздравьте себя с первым расчетом! А затем убедитесь, что вы настроили процесс, чтобы упростить его повторение в следующем году или при запуске нового продукта. Отметьте ключевые исходные данные для ваших расчетов и вещи, которые вы упустили, чтобы вы знали ограничения своей модели, и создайте основу, чтобы вы обрабатывали данные каждый раз одинаково, чтобы сравнения между измерениями были равны яблокам.

5. Ключевые выводы

— Расчет углеродного следа — отличный первый шаг для бизнеса любого размера, который хочет понять свое воздействие на окружающую среду, хотя он фокусируется на выбросах парниковых газов и не полностью отражает влияние на потребление природных ресурсов. , землепользование или отходы.

— Хотя рамки отчетности существуют, самое главное, чтобы были учтены все существенные области вашего бизнеса. Что это, будет зависеть от вашего размера, отрасли и того, как вы настроены.

— Расчет — это не конечная цель, а скорее средство достижения сокращения занимаемой площади — сначала за счет изменений в вашей деятельности, а затем за счет сокращения.

— Ответственность за выбросы углерода не должна ограничиваться вашей внутренней оценкой. Поощряйте своих поставщиков также рассчитывать свои следы и рассмотреть возможность включения их политики в отношении углерода в любой тендерный процесс, который вы проводите.

6. Узнать больше

Чтобы понять влияние выбросов всего, от ванн и производства риса до вулканов, прочтите статью Майка Бернерса-Ли «Насколько плохи бананы ?: Углеродный след всего».

Чтобы выйти за рамки своего делового следа и уменьшить свой личный углеродный след, ознакомьтесь с этим руководством по ключевым вопросам образа жизни из New York Times.

Чтобы найти коэффициенты выбросов, которые могут помочь вам провести расчет углеродного следа, ознакомьтесь с Defra для транспорта, электроэнергии и отходов в Великобритании; EPA для того же самого в США; и Higg MSI для материалов.

Чтобы рассчитать свой углеродный след без сложных электронных таблиц, воспользуйтесь онлайн-калькулятором: Калькулятор 2030 для следов продукта; ClimateCare для предприятий, занимающихся транспортировкой и офисными операциями; и Калькулятор углерода для веб-сайтов.

Чтобы помочь вам контекстуализировать результат вашего углеродного следа, используйте этот калькулятор от EPA, чтобы узнать, что он эквивалентен в повседневных терминах, например, количество управляемых автомобилей, заряженных смартфонов или домов.

Чтобы узнать, как одна крупная компания решила компенсировать свой углеродный след, прочитайте этот рассказ о защите Apple мангровых лесов в Колумбии.

Для получения практических советов по сокращению вашего цифрового следа ознакомьтесь со списком из 17 способов сделать ваш веб-сайт более энергоэффективным.

Углеродный цикл | UCAR Center for Science Education

Простая диаграмма частей углеродного цикла с акцентом на наземные (наземные) части цикла.
Кредит: UCAR

Есть несколько типов атомов, которые сегодня могут быть частью растения, завтра — животного, а на следующий день перемещаться вниз по течению в составе речной воды. Эти атомы могут быть частью как живых существ, таких как растения и животные, так и неживых существ, таких как вода, воздух и даже камни.Одни и те же атомы повторно используются в разных частях Земли. Этот тип круговорота атомов между живыми и неживыми организмами известен как биогеохимический цикл.

Все атомы, из которых состоят живые существа, являются частью биогеохимических циклов. Наиболее распространенными из них являются циклы углерода и азота.

Крошечные атомы углерода и азота могут перемещаться по планете через эти циклы. Например, атом углерода поглощается из воздуха в воду океана, где он используется маленьким плавающим планктоном, выполняющим фотосинтез, чтобы получить необходимое им питание.Есть вероятность, что этот маленький атом углерода станет частью скелета планктона или частью скелета более крупного животного, которое его ест, а затем частью осадочной породы, когда живые существа умирают, и остаются только кости. Углерод, входящий в состав горных пород и ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ, может удерживаться вдали от остальной части углеродного цикла в течение длительного времени. Эти места длительного хранения называются «раковинами». При сжигании ископаемого топлива углерод, который был под землей, выбрасывается в воздух в виде двуокиси углерода, парникового газа.

В последнее время люди стали причиной изменения этих биогеохимических циклов. Когда мы вырубаем леса, строим больше заводов и водим больше автомобилей, работающих на ископаемом топливе, меняется способ перемещения углерода и азота по Земле. Эти изменения добавляют больше парниковых газов в нашу атмосферу, и это вызывает изменение климата.

Элемент углерод входит в состав морской воды, атмосферы, горных пород, таких как известняк и уголь, почв, а также всего живого. На нашей динамичной планете углерод может перемещаться из одной из этих сфер в другую как часть углеродного цикла.

• Углерод перемещается из атмосферы в растения. В атмосфере углерод присоединяется к кислороду в газе, называемом диоксидом углерода (CO ₂ ). В процессе фотосинтеза углекислый газ вытягивается из воздуха для производства пищи из углерода для роста растений.
• Углерод переходит от растений к животным. Через пищевые цепи углерод, содержащийся в растениях, перемещается к животным, которые их поедают. Животные, которые едят других животных, тоже получают углерод из своей пищи.
• Углерод перемещается от растений и животных в почвы.Когда растения и животные умирают, их тела, древесина и листья разлагаются, и углерод попадает в землю. Некоторые из них похоронены и станут ископаемым топливом через миллионы и миллионы лет.
• Углерод перемещается из живых существ в атмосферу. Каждый раз, когда вы выдыхаете, вы выбрасываете в атмосферу углекислый газ (CO ₂ ). Животные и растения должны избавляться от углекислого газа с помощью процесса, называемого дыханием.
• Углерод перемещается из ископаемого топлива в атмосферу при сжигании топлива.Когда люди сжигают ископаемое топливо для электростанций, электростанций, автомобилей и грузовиков, большая часть углерода быстро попадает в атмосферу в виде углекислого газа. Ежегодно при сжигании ископаемого топлива выделяется пять с половиной миллиардов тонн углерода. Из этого огромного количества 3,3 миллиарда тонн остаются в атмосфере. Большая часть остатка растворяется в морской воде.
• Углерод перемещается из атмосферы в океаны. Океаны и другие водоемы поглощают углерод из атмосферы. Уголь растворяется в воде.

Двуокись углерода является парниковым газом и удерживает тепло в атмосфере. Без него и других парниковых газов Земля была бы замороженным миром. Но с начала промышленной революции около 150 лет назад люди сожгли столько топлива и выбросили в воздух столько углекислого газа, что глобальный климат поднялся более чем на один градус по Фаренгейту. Согласно данным ледяных кернов, атмосфера не удерживала столько углерода по крайней мере 420 000 лет. Недавнее увеличение количества парниковых газов, таких как двуокись углерода, оказывает значительное влияние на потепление на нашей планете.

Углерод также движется по нашей планете в более длительных временных масштабах. Например, за миллионы лет выветривание горных пород на суше может добавить углерод в поверхностные воды, которые в конечном итоге стекают в океан. В течение длительного времени углерод удаляется из морской воды, когда раковины и кости морских животных и планктон собираются на морском дне. Эти раковины и кости сделаны из известняка, который содержит углерод. Когда они осаждаются на морском дне, углерод сохраняется от остальной части углеродного цикла в течение некоторого времени.Количество известняка, отложившегося в океане, в некоторой степени зависит от количества теплых, тропических и мелководных океанов на планете, потому что именно здесь обитают плодовитые организмы, производящие известняк, такие как кораллы. Углерод может быть выпущен обратно в атмосферу, если известняк плавится или метаморфизируется в зоне субдукции.

Углерод — Энергетическое образование

Углерод ( C ) — это 6 ^{-й элемент} в периодической таблице, а также 6 ^-й -й элемент, наиболее распространенный во Вселенной. ^[2] Углерод уникален тем, что у него четыре валентных электрона, которые делают его очень универсальным и позволяют связываться со многими другими элементами, включая его самого; с более чем 10 миллионами известных соединений, содержащих углерод. ^[3]

Углерод и его различные соединения играют большую роль в мире, в котором мы живем. Углерод сам по себе важен в мире, поскольку он соединяется с самим собой, образуя алмазы, графит и другие формы углерода. Углерод сам по себе не обязательно является проблемой, однако его включение в другие молекулы — вот где начинают происходить интересные вещи.Хотя существует более 10 миллионов соединений углерода, энергетическая наука в первую очередь озабочена некоторыми избранными:

Углеводороды и CO ₂ очень тесно связаны, что будет исследовано в следующем разделе.

Углерод в топливе

Углеводороды — это молекулы, содержащие углерод и водород. Они составляют топливо, которое мир использует для получения большей части своей первичной энергии — около 95% ^[4] — и когда мы используем их для получения этой энергии, одним из производимых продуктов является CO ₂ .Углеводороды являются основным компонентом ископаемого топлива, а именно природного газа, нефти и угля, из которых поступает большое количество энергии в мире. Ископаемые виды топлива обеспечивают большую часть мировой электроэнергии, наряду с наиболее распространенными видами топлива для транспорта, такими как бензин и дизельное топливо.

Процесс сжигания углеводородов — это способ получения энергии из ископаемого топлива. Углеводород реагирует с молекулярным кислородом, образуя углекислый газ и водяной пар, как показано на рисунке 2.Различные типы углеводородов производят разное количество углекислого газа, причем наибольшее количество углекислого газа. ^[5]

Рисунок 1. Метан соединяется с кислородом 2 с образованием диоксида углерода, воды и тепла. ^[6]

Углерод в атмосфере

основная статья

Рис. 3. Углекислый газ может взаимодействовать с инфракрасным излучением, что приводит к дисбалансу излучения, входящего и выходящего из атмосферы. ^[7]

При сжигании этих углеводородов образуется двуокись углерода, которая является парниковым газом; Это означает, что он поглощает и повторно излучает инфракрасное излучение обратно на Землю, как показано на рисунке 3, создавая эффект изменения климата.Хотя парниковые газы необходимы для обитания температур на Земле (щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию), увеличение количества этих газов в атмосфере способствует глобальному потеплению. Управление выбросами CO ₂ при сжигании ископаемого топлива является центральной технологической, экономической и политической проблемой. ^[8]

Метан (CH ₄ ), окись углерода и черный углерод присутствуют в атмосфере, и каждый из них оказывает различное воздействие на планету.Количество каждого из них в атмосфере быстро увеличивается: количество углекислого газа в атмосфере увеличилось примерно на 35% в индустриальную эпоху, а метана примерно на 250%. Эти уровни были относительно стабильными около 10 тысяч лет до этого. ^[9] Воздействие метана на климат составляет примерно 1/3 от углекислого газа, поэтому он считается вторым по значимости парниковым газом. Известно, что это увеличение связано с деятельностью человека, в первую очередь сжиганием ископаемого топлива и вырубкой лесов. ^[10]

Цикл природного углерода

Как углекислый газ, так и метан, наряду со всеми другими формами, являются естественными частями углеродного цикла, который представляет собой смесь всех форм углерода на планете, обнаруженных где угодно от океана до верхних слоев атмосферы.

Естественный круговорот углерода поддерживается почти в равновесии; животные и растения выделяют CO ₂ в атмосферу через дыхание, а растения поглощают его посредством фотосинтеза. Океан также циркулирует CO ₂ с атмосферой в почти идеальном балансе.Этот цикл происходит быстро, поскольку типичная молекула CO ₂ проводит в атмосфере всего около 5 лет. ^[11]

Влияние человека на углеродный цикл

Люди влияют на этот естественный цикл, в основном за счет сжигания ископаемого топлива, производства цемента и вырубки лесов, как показано красным на Рисунке 4 ниже. Результатом является чистое увеличение содержания углерода в атмосфере и океанах, что и вызывает эффект потепления наряду с подкислением океана.

Эффекты и того, и другого могут иметь катастрофические последствия для углеродного цикла, поскольку они могут усилить воздействие добавленного углерода в атмосферу.Например, лесные пожары, вызванные эффектами глобального потепления, могут вернуть большую часть CO ₂ , от которого, как ожидается, растения избавятся из атмосферы. Подкисление океанов из-за слишком большого количества поглощенного CO ₂ может нанести вред морской жизни, которая играет важную роль в углеродном цикле океана. ^[11]

Рисунок 4. Углеродный цикл Земли. Числа представляют собой циклическую массу углерода в гигатоннах (не молекул, а только углерода). Желтый текст — это естественный углеродный цикл, красный — человеческий фактор. ^[12]

Судьба углерода в атмосфере

Ранее упоминалось, что типичная молекула углекислого газа останется в атмосфере только около 5 лет. Это кажется многообещающим, но не раскрывает всей истории. Если бы люди немедленно прекратили свое влияние на углеродный цикл, потребовалось бы около 100 лет, чтобы половина углерода, который люди вложили в атмосферу, погрузилась в глубокий океан или сушу. Однако по мере того, как в цикле присутствует все меньше и меньше антропогенного углерода, циклу требуется больше времени, чтобы избавиться от него.Только через тысячи лет этот углерод будет почти полностью избавлен, и тогда его последствия, возможно, уже будет слишком поздно, чтобы обратить вспять. ^[11]

Видео

Видео ниже из проекта периодических видеоматериалов Ноттингемского университета. ^[13] Они создали полный набор коротких видеороликов по каждому элементу периодической таблицы элементов.

Список литературы

1. ↑ Сделано внутри группы специалистов по энергетическому образованию.
2. ↑ Jefferson Lab, 10 самых богатых элементов во Вселенной [Online], доступно: http://education.jlab.org/glossary/abund_uni.html
3. ↑ Лос-Аламосская национальная лаборатория, Carbon [Online], доступно: http://web.archive.org/web/20080913063402/http://periodic.lanl.gov/elements/6.html
4. ↑ Данные ОЭСР, подробнее о первичной энергии.
5. ↑ Р.Д. Боттс, Д. Карсон и Д. Коглон. «Нефть в нашей жизни» в Наш нефтяной вызов , 8-е изд.Калгари: Канадский центр развития энергетики, 2013 г., стр. 7-15.
6. ↑ Американское химическое общество. «Метан и кислород реагируют». Интернет: http://www.middleschoolchemistry.com/multimedia/chapter6/lesson1, [25 октября 2013 г.]
7. ↑ PhET Simulations, Molecules and Light [Online], Доступно: https://phet.colorado.edu/en/simulation/molecules-and-light
8. ↑ Энциклопедия Земли, Углерод [Онлайн], Доступно: http://www.eoearth.org/view/article/150918/
9. ↑ IPCC, The Natural Carbon Cycle [Online], Доступно: https: // www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch7s7-3.html
10. ↑ IPCC, FAQ: Какие факторы определяют климат Земли? [Online], доступно: https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/faq-1-1.html
11. ↑ ^{11,0 11,1 11,2} Р. Вольфсон, «Углерод: более пристальный взгляд» в журнале Energy, Environment, and Climate , 2-е изд., Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 2012, гл. 13, сек. 5. С. 357-361.
12. ↑ Wikimedia Commons [Online].(5 июня 2015 г.). Доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle#/media/File:Carbon_cycle.jpg
13. ↑ Другие видеоролики Ноттингемского университета о различных элементах см. Здесь: http://www.periodicvideos.com/

Как купить компенсацию выбросов углерода, которая действительно имеет значение

Несмотря на то, что многие из нас перестали ездить на работу и пропустили аэропорт из-за пандемии, в этом году наши углеродные следы не исчезли. Возможно, вы отправились в длительную поездку в отпуск или поехали, чтобы избежать общественного транспорта или перелетов (в этом году я проехал почти 10 000 миль, несмотря на то, что работал из своей спальни).А еще есть выбросы от еды, которую вы едите, отопления и охлаждения вашего дома, вещей, которые вы покупаете — все это складывается.

Что касается воздействия на окружающую среду, которого мы не можем избежать, растущий рынок компенсации выбросов углерода обещает сократить наши выбросы. Но бывает сложно понять эти смещения и убедиться, что они действительно делают то, о чем заявляют.

Варианты смещений

Когда вы покупаете компенсацию, вы, по сути, косвенно оплачиваете методы, которые улавливают или сокращают выбросы парниковых газов, которых в противном случае не произошло бы.

Сегодня по всему миру существует множество проектов, улавливающих парниковые газы разными способами. Наверное, наиболее очевидными и известными являются программы по лесному хозяйству. Мшистая Земля, например, предлагает счетчик углерода и способы нейтрализовать это воздействие путем посадки местных деревьев. Посадка деревьев может иметь свои подводные камни — например, простая посадка фермы из идентичных деревьев может нанести ущерб биоразнообразию — но основная идея состоит в том, что чем больше деревьев высажено, тем больше эти леса могут поглощать углекислый газ из атмосферы и включать его в свою корни и побеги.

Другие компании создают компенсацию, пряча углерод не в деревьях, а в земле. NativeEnergy, компания, занимающаяся разработкой компенсационных программ, включает в себя восстановительное сельское хозяйство среди своих возможностей. Например, в одном проекте в Монтане владельцы ранчо за счет тщательно управляемого выпаса получают компенсацию, которая приносит пользу травам прерий, которые, в свою очередь, помогают накапливать углерод в почве.

Существуют также программы, ориентированные на промышленные химикаты, помогающие предприятиям перейти от использования сильнодействующих парниковых газов в своей деятельности к более щадящим альтернативам.Другие проекты нацелены на использование метана, особенно мощного парникового газа. Закрыв заброшенную свалку цементом и улавливая производимый ею метан, эти компенсационные программы могут избежать воздействия этого метана на потепление климата.

Как найти надежную программу компенсации выбросов углерода

Не все программы углеродного кредита делают то, что они говорят. Как показало расследование ProPublica, некоторые лесохозяйственные проекты фактически не сохранили землю, которую обещали.

Анастасия О’Рурк, управляющий директор Лаборатории сдерживания углерода в Йельском университете, говорит, что в то время как компенсация лесного хозяйства привлекает много внимания, менее гламурная работа по закрытию свалок и сокращению выбросов промышленных парниковых газов имеет тенденцию давать компенсацию, которая относительно легко отслеживать.«При использовании систем лесного хозяйства или крупномасштабных наземных подходов со стороны руководства, как правило, очень сложно действительно знать, что на самом деле происходит на земле», — говорит она. «Эти [программы улавливания метана], как правило, представляют собой продукты довольно высокого качества, их можно измерить и проверить».

Дженнифер Купер, вице-президент NativeEnergy, говорит, что в офсетной индустрии на заре своего существования были некоторые ошибки, но с тех пор она прошла долгий путь и теперь имеет больший контроль.

О’Рурк соглашается: «Я действительно думаю, что вся инфраструктура созрела и стала намного надежнее, чем раньше», — говорит она. «[Но] не все компенсации созданы равными. Некоторые проекты определенно более надежны, чем другие, с точки зрения реального смягчения последствий изменения климата ».

Некоторые ключевые моменты, на которые следует обратить внимание, включают, была ли компания оценена третьей стороной и регистрируются ли взаимозачеты в официальном реестре. Другими словами, вы должны быть уверены, что организация действительно делает то, что они говорят, и что после продажи компенсация снимается с рынка, так что ее нельзя покупать несколько раз, тем самым избавляясь от каких-либо преимуществ для планета.

Крупной сторонней программой, выполняющей работу по сертификации компаний, является Green-e, в которой перечислены компании, соответствующие строгим стандартам, на их веб-сайтах. Кроме того, Пэт Брюэр, аналитик Center for Resource Solutions (некоммерческая организация, которая управляет Green-e), говорит, что также разумно заглянуть на веб-сайт интересующей вас компании и посмотреть, раскрывают ли они стандарты, которые они используют. производить офсеты. Если они непрозрачны, это, вероятно, плохой знак.

В конце концов, это зависит только от вас и ваших ценностей.Большинство компенсаций имеют некоторые сопутствующие выгоды, такие как улучшение биоразнообразия, здоровья населения или создание рабочих мест. Вы должны выбирать проекты в зависимости от того, какие цели вы хотите поддержать.

Стоит?

Давайте внесем ясность: влияние большинства людей микроскопически по сравнению с воздействием энергетических компаний и других крупных корпораций. Если страны не станут серьезно относиться к резкому сокращению выбросов, наши индивидуальные компенсации, вероятно, не помогут предотвратить катастрофическое изменение климата.

Но в это время надвигающегося климатического кризиса О’Рурк говорит, что важна каждая мелочь. Помимо сокращения нашего воздействия там, где мы можем, компенсация дает возможность свести на нет выбросы, которых в противном случае было бы почти невозможно избежать. Если вы не можете позволить себе Tesla или крышу, покрытую солнечными батареями, компенсация будет более дешевым вариантом. «Я думаю, что [углеродная компенсация] — это хорошо, потому что это помогает действительно понять, как сделать мир более устойчивым, и почувствовать, что вы вносите свой вклад в это», — говорит О’Рурк.«Я думаю, что большинство людей могло бы, если бы они рассчитали это, позволить себе купить зачетные суммы, если бы захотели. И если бы это сделало много людей, это бы прибавилось ».

Стоимость может вас удивить. Помните те 10 000 миль, которые я проехал? Согласно калькулятору TerraPass, компании, которая продает компенсацию выбросов углерода, мне нужно было бы заплатить 38,80 доллара, чтобы компенсировать все эти долгие поездки.