Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода - 13C (ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный изотоп 14C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий ?-излучением. В нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде СO2. После смерти живого организма расход углерода прекращается и можно датировать С-содержащие объекты, измеряя уровень радиоактивности 14С. Снижение ?-излучения 14CO2 пропорционально времени, прошедшему с момента смерти. В 1960 У.Либби за исследования с радиоактивным углеродом был удостоен Нобелевской премии. См. также ДАТИРОВКА ПО РАДИОАКТИВНОСТИ.

В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную конфигурацию 1s22s22px12py12pz0. Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IVA группе периодической системы (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). Поскольку для отрыва электрона от атома в газовой фазе требуется большая энергия (ок. 1070 кДж/моль), углерод не образует ионные связи с другими элементами, так как для этого необходим был бы отрыв электрона с образованием положительного иона. Имея электроотрицательность, равную 2,5, углерод не проявляет и сильного сродства к электрону, соответственно не являясь активным акцептором электронов. Поэтому он не склонен к образованию частицы с отрицательным зарядом. Но с частично ионным характером связи некоторые соединения углерода существуют, например, карбиды. В соединениях углерод проявляет степень окисления 4. Чтобы четыре электрона смогли участвовать в образовании связей, необходимо распаривание 2s-электронов и перескок одного из этих электронов на 2pz-орбиталь; при этом образуются 4 тетраэдрические связи с углом между ними 109?. В соединениях валентные электроны углерода лишь частично оттянуты от него, поэтому углерод образует прочные ковалентные связи между соседними атомами типа С-С с помощью общей электронной пары. Энергия разрыва такой связи равна 335 кДж/моль, тогда как для связи Si-Si она составляет всего 210 кДж/моль, поэтому длинные цепочки -Si-Si- неустойчивы. Ковалентный характер связи сохраняется даже в соединениях высокореакционноспособных галогенов с углеродом, CF4 и CCl4. Углеродные атомы способны предоставлять на образование связи более одного электрона от каждого атома углерода; так образуются двойная С=С и тройная С?С связи. Другие элементы также образуют связи между своими атомами, но только углерод способен образовывать длинные цепи. Поэтому для углерода известны тысячи соединений, называемых углеводородами, в которых углерод связан с водородом и другими углеродными атомами, образуя длинные цепи или кольцевые структуры. См. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ
.

В этих соединениях возможно замещение водорода на другие атомы, наиболее часто на кислород, азот и галогены с образованием множества органических соединений. Важное значение среди них занимают фторуглеводороды - углеводороды, в которых водород замещен на фтор. Такие соединения чрезвычайно инертны, и их используют как пластичные и смазочные материалы (фторуглероды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора) и как низкотемпературные хладагенты (хладоны, или фреоны, - фторхлоруглеводороды).

В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники, образующие молекулу С60 по форме полого шара, имеющего совершенную симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе "геодезического купола", изобретенного американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван "бакминстерфуллеренами" или "фуллеренами" (а также более коротко - "фазиболами" или "бакиболами"). Фуллерены - третья модификация чистого углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более) атомов, - была получена действием лазерного излучения на мельчайшие частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С60 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана. См. также ФУЛЛЕРЕНЫ
.

см. Двуокись углерода.

неправильное название углерода двуокиси (См. Углерода двуокись) CO₂, которая является ангидридом угольной кислоты.

ангидрид угольной кислоты, углекислый газ, CO₂, оксид С (IV), высший окисел углерода. В 1756 Дж. Блэк показал, что при разложении карбоната магния выделяется газ - "связанный воздух" (его состав установил в 1789 А. Лавуазье). У. д. бесцветный газ, имеющий слегка кисловатые запах и вкус; плотность 0,0019 г/см³ (0 °С. 0,1 Мн/м²), t_пл -56,6 °С. t_kип -78,5 °С, критическая температура 31 °С, критич. давление 7,62 Мн/м² (75,2 кгс/см²). При атмосферном давлении и -78,5 °С, минуя жидкое состояние, затвердевает в белую снегообразную массу ("сухой лёд"). Жидкая У. д. существует при комнатной температуре лишь при давлении больше 5,85 Мн/м² (58,5 кгс/см²). Плотность жидкой CO₂ 0,771 г/см² (20 °С), твёрдой 1,512 г/см³. Молекула газообразной У. д. имеет симметричную форму О=С=О с расстоянием С-О 1,162 Å. Твёрдая CO₂ кристаллизуется в кубической гранецентрированной решётке, а=5,62 Å. У. д. термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температурах выше 2000 °С. Заметно растворима в воде (по массе \%): 0,335 (0 °С); 0,169 (20 °С) и частично взаимодействует с ней с образованием угольной кислоты (См. Угольная кислота) H₂CO₃. Растворяется в органических растворителях: ацетоне, бензоле, хлороформе, спиртах. Энергично соединяется с основаниями, давая Карбонаты. CO₂ не горит и не поддерживает горения. Только очень активные металлы восстанавливают её при высоких температурах (например, магний - при 600 °С, кальций - при 700 °С). CO₂ взаимодействует с раскалённым углём: CO₂ + С =2СО (реакция имеет большое значение в металлургии); с аммиаком при 160- 200 °С и давлении 10-40 Мн/м² (100-400 кгс/см²): CO₂ + 2NH₃ = CO (NH₂)₂+ + H₂O; в присутствии окиси меди с водородом, образуя метан.

У. д. входит в состав воздуха: 0,03 объёмных \%, общее содержание 2,3․10¹² т, в гидросфере, находящейся в равновесии с атмосферой, 1,4․10¹⁴ т. CO₂ образуется и поступает в атмосферу при горении топлив, гниении органических остатков, брожении, дыхании животных и человека. В результате индустриальных загрязнений содержание У. д, в атмосфере промышленных городов намного превышает предельно допустимые нормы. Поэтому в ряде технически развитых стран (в том числе и в СССР) осуществляются мероприятия по снижению содержания У. д. в атмосферном воздухе (см. Охрана природы). У. д. необходима для развития растений, поглощающих её из атмосферы в процессе Фотосинтеза. Атмосферы планет Марса и Венеры содержат У. д. в качестве основного компонента.

Получают У. д. в промышленности главным образом при обжиге известняка (900-1300 °С) с одновременным получением извести; очистку 002 осуществляют поглощением её растворами соды, поташа или этаноламина. Хранят и перевозят У. д. в сжиженном состоянии под давлением 6 Мн/м² (60 кгс/см²) в стальных баллонах. В лаборатории CO₂ обычно получают взаимодействием соляной кислоты с мрамором.

Применяется У. д. в производстве газированных вод, пива и сахара. CO₂ идёт на изготовление "сухого льда", который служит для хранения и перевозки скоропортящихся пищевых продуктов. В химической промышленности CO₂ расходуется на получение соды, мочевины, оксикарбоновых кислот, применяется также как теплоноситель в графитовых реакторах. У. д. используется для тушения пожаров и при перевозке огнеопасных веществ.

Б. А. Поповкин.

В сельском хозяйстве У. д. используют как удобрение. Недостаток её в воздухе, что часто наблюдается в условиях защищенного грунта, особенно при гидропонной культуре (см. Гидропоника), снижает интенсивность фотосинтеза и урожай. Для улучшения углеродного питания растений в теплицах и парниках проводят газацию, то есть в дневное время подают в них газообразную У. д. (из баллонов) или очищенные продукты каталитического горения природного горючего газа и твёрдого топлива (содержат до 15\% CO₂). Источником газообразной У. д. может быть твёрдая У. д. ("сухой лед"), куски которой раскладывают в помещении, а также органические и минеральные удобрения, выделяющие её при разложении. Эффективность удобрения У. д. зависит от условий минерального питания растений, освещённости, температуры почвы и воздуха.

В организме человека и животных У. д. вместе с бикарбонатами образует важную буферную систему (См. Буферные системы) крови. Повышение уровня парциального давления У. д. в крови увеличивает прочность связи кислорода с гемоглобином. Бездействуя (в том числе непосредственно) на центры продолговатого мозга, У. д. участвует в регуляции дыхания и кровообращения. Смесь кислорода (95\%) и У. д. (5\%) - так называемый карбоген - используют для лечения отравлений наркотиками, окисью углерода и др. В больших концентрациях У. д. токсична, вызывает гипоксию (См. Гипоксия). Длительное (до нескольких сут) вдыхание У. д. даже при концентрации 1,5-3\% вызывает головную боль, головокружение, тошноту. При концентрации выше 6\% (так называемый критический уровень) теряется работоспособность, появляются сонливость, ослабление дыхания и сердечной деятельности, возникает опасность для жизни. Накопление У. д. в воздухе с одновременным снижением содержания кислорода может наблюдаться в замкнутых, плохо вентилируемых пространствах (например, в шахтах, сточных колодцах), в помещениях, где осуществляются процессы брожения (например, на пивоваренных заводах). Первая помощь: вынести пострадавшего на свежий воздух, провести искусственное дыхание. В воздухе жилых и общественных зданий накопление У. д. не достигает критических величин; её концентрация - один из санитарно-гигиенических показателей степени чистоты воздушной среды.

В. Ф. Кириллов.

Лит.: Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., т. 1- 2, М., 1973: Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975.

CO₂, ангидрид угольной кислоты (См. Угольная кислота) (см. Углерода двуокись).