4.Основные черты геохимии углерода.
Углерод – порядковый номер 6. Углерод занимает 13 место по распространенности. Содержание углерода в земной коре примерно 0,14 %, а в осадочном чехле примерно 1,4%. Содержание углерода в осадочных породах примерно 80%, а в органическом веществе в среднем 20%. Углерод горит при температуре 300-5000С. Углерод при сгорании образует двуокись углерода – СО2 (углекислый газ) и окись углерода СО (угарный газ).
Углекислый газ входит в состав атмосферы Земли. Содержание его в воздухе 0,03 по объему. В природе встречается как в свободном состоянии, так и в различных соединениях. Содержание в живом веществе – 18%, в древесине – 50%, в каменном угле – 80%, в нефти – 85%, в антраците – 96%.
Углерод был известен в 3 видах: уголь, графит и алмаз. Графит и алмаз содержат практически чистый углерод. Структура кристаллической решетки углерода у графита совсем иная, чем у алмаза.
В графите атомы углерода располагаются слоями, внутри которых атомы углерода напоминают пчелиные соты, внутри атомы углерода связаны прочнее, чем между слоями. У алмаза трехмерное расположение атома углерода и они размещаются очень прочно из-за того, что каждый атом связан с 4. В 1985 году группа химиков: Клер, Крото и др. тоже получили Нобелевскую премию по химии. Они при лазерном облучении образца графита получили новое вещество, которое было названо «фуллерен». Название было дано в честь архитектора Фуллера, который в Монреале построил знаменитое сооружение – геодезический купол. Углерод представлен в свободном состоянии в виде: угля, алмаза, графита, графена, фуллерена.
Уникальность углерода определяется и другими свойствами. Его атомы имеют прочные связи не только с атомами других химических элементов, но и между собой. Углерод образует 4 равнозначные валентные связи, что позволяет ему образовывать многочисленные разнообразные неразветвленные цепи и разветвленные кольца. В связи с этим углерод имеет возможность создавать огромное количество различных структур. Например, из 20 атомов С и 42 атомов Н (С20Н42). Теоретически можно получить 66 000 углеводородов этого состава.
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 – н-пентан (нормальный пентан)
СН3
СН3 – СН – СН2 – СН3 - изопентан
СН3
Н3С
– С – СН3
- неопентан
СН3
Важно и то, что связь атомов углерода между собой, а также с атомами H, O, N и других элементов таблицы Менделеева может разрушаться под действием природных факторов, ферментов, входящих в состав живых организмов, образуя более простые соединения. C, O, H составляют 98% от общей массы живых организмов. Наблюдается постоянный круговорот углерода в природе. В результате процессов фотосинтеза с помощью зеленых растений ежегодно ассимилируется около 100 млрд.тонн углекислого газа. Общее содержание органического углерода в Мировом океане в живой и неживой материи сегодня оценивается 4*109 т и 11*109 т соответственно. Скорость обновления биомассы в результате круговорота углерода. Подавляющая часть биомассы суши обновляется за 14 лет, а биомасса океана всего за 33 дня. Суммарная продукция живого вещества по данным Успенского за все время существования биосферы примерно в 30 раз превосходит суммарную массу осадочных пород на Земле. Более поздние исследования показали более впечатляющие результаты, то что превышение в 150 раз.
Изотопный состав углерода.
В природе существует 2 стабильных изотопа С12 преобладает и С13. С12 содержится почти 99%, а С13 чуть больше 1%, так же существует 1 радиоактивный С14. Концентрация этого радиоизотопа постоянна в любом живом организме. Когда живое погибает, переставая быть звеном круговорота углерода, благодаря радиоактивному распаду С14 (полураспад 5570+-30 лет), его содержание в этом организме уменьшится примерно вдвое. Замеряя сколько фактически содержится С в веществе взятом из любого отложения, измеряя фактическое содержание С14 легко определить возраст этого артефакта животного или растительного происхождения. Соотношение изотопов С определяют используя величину приращения:: δ13С= [ с13/с12 обр/ с13/с12 станд -1 ]*1000
Отношение 13С/12С белемнита мелового возраста, величина которого– стандарт.