Строение атома углерода. 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
b-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 b-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 СєС 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