БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (УГ)
Б. А. Поповкин.
У. в организме. У. — важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры , а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества — витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт окисления У. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений (см. Происхождение жизни ).
Уникальная роль У. в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один др. элемент периодической системы. Между атомами У., а также между У. и др. элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность У. образовывать 4 равнозначные валентные связи с др. атомами У. создаёт возможность для построения углеродных скелетов различных типов — линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента — С, О и Н — составляют 98% общей массы живых организмов. Этим достигается определённая экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома У. лежат в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).
Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина , первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками У. служили метан (CH4 ) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического У., за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (CO2 ), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO- 3 . Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляции) У. (в форме CO2 ) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CO2 ). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения CO2 путём хемосинтеза ; в этом случае микроорганизмы-хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют У. с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы . Применение для биосинтеза белка и др. питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника У. углеводороды нефти,— одна из важных современных научно-технических проблем.
Содержание У. в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5—40% у водных растений и животных, 45,4—46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основном за счёт тканевого дыхания , происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO2 . У. выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть У. вновь превращается в CO2 в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом происходит круговорот У. в природе (см. Круговорот веществ ). Значительная часть У. минерализуется и образует залежи ископаемого У.: каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основные функции — источника У.— CO2 , растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе CaCO3 У. образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения У., как HCN, CO, CCl4 , преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.
Помимо стабильных изотопов У., в природе распространён радиоактивный 14 C (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри ). С использованием изотопов У. в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота У. в природе (см. Изотопные индикаторы ). Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации H14 CO- 3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакций фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14 C способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14 C в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.
Н. Н. Чернов.
Лит.: Шафрановский И. И., Алмазы, М. — Л., 1964; Уббелоде А. Р., Льюис Ф. А., Графит и его кристаллические соединения, пер. с англ., М., 1965; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Перельман А. И., Геохимия элементов в зоне гипергенеза, М., 1972; Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., М., 1973; Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975; Вернадский В. И., Очерки геохимии, 6 изд., М., 1954; Рогинский С. З., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, М., 1963; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Проблемы эволюционной и технической биохимии, М., 1964; Кальвин М., Химическая эволюция, пер. с англ., М., 1971; Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функции клетки, пер. с англ., 1971, гл. 7; Биосфера, пер. с англ., М., 1972.
Углерода галогениды
Углеро'да галогени'ды, соединения углерода с галогенами. У. г. обычно рассматривают как производные углеводородов, в которых водород полностью замещен на галоген.
Простейшими У. г. являются тетрагалогениды общей формулы CX4 , молекулы которых имеют тетраэдрическое строение с расстояниями С—F, С—Сl, С—Вr и С—I, соответственно: (Å) 1,36; 1,76; 1,94; 2,12, и энергиями связи (кдж/моль ): 487; 340: 285; 214 или в ккал/моль 116; 81; 68; 51. При обычных условиях CF4 — газ (tkип —128 °С), CCl4 — жидкость (tпл —22,9 °С, tkип 76,8 °C), CBr4 и Cl4 — твёрдые тела (tпл 93,7 и 171 °С). Все тетрагалогениды практически нерастворимы в воде и растворимы в органических растворителях. В соответствии с уменьшением энергии связи устойчивость CX4 падает, а химическая активность возрастает при переходе от фтора к иоду. CF4 и CCl4 устойчивы к нагреванию и действию воздуха, света, кислот. Cl4 легко разлагается при нагревании. Только CF4 может быть получен непосредственно взаимодействием элементов. Один из способов синтеза CCl4 и CBr4 — реакция CS2 с галогенами. Cl4 получают при взаимодействии CCl4 с иодидами алюминия, висмута и др. металлов. Из тетрагалогенидов углерода наибольшее значение имеет четырёххлористый углерод . Известны также смешанные У. г., например CClF3 , CCBr2 Cl2 , С2 Вг2 F4 . Многие У. г. широко применяют в различных отраслях техники, например дифтордихлорметан CCl2 F2 и трихлорфторметан CCl3 F как хладоагенты в холодильных установках (фреоны ), тетрафторэтилен C2 F4 и трифторхлорэтилен C2 ClF3 — мономеры в производстве фторопластов , гексахлорэтан C2 Cl6 — заменитель камфоры, некоторые фторхлор-содержащие У. г.— компоненты синтетических масел .
Лит.: Ахметов Н. С., Неорганическая химия, 2 изд., М., 1975.
Б. А. Поповкин.
Углерода двуокись
Углеро'да двуо'кись, 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 ), tпл —56,6 °С. tkип —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 H2 CO3 . 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 + + H2 O; в присутствии окиси меди с водородом, образуя метан.
