С (carboneum), неметаллический химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19% (см. также АЛМАЗ; ФУЛЛЕРЕНЫ).

Рис. 1. СТРУКТУРА алмаза (а) и графита (б).

Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.

См. также СПЛАВЫ. В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь). Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном давлении - это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с заостренными кромками.

Историческая справка. Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.

Аллотропия. Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические модификации - алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 1,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С-С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 ) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).

Рис. 2. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТВЕРДОСТЬ МИНЕРАЛОВ по шкале Мооса (качественная оценка) (1) и по шкале истинной относительной твердости (количественная оценка) (2). По кривой 2 видно, насколько алмаз тверже наиболее твердых материалов.

Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит - мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом*см). Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.

Рис. 3. СХЕМА КОКСОВОЙ ПЕЧИ для коксования битумных углей в отсутствие воздуха (газовоздушная обогревающая смесь не попадает в камеру, где находится коксуемый уголь).

Структура графита (рис. 1,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 ) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита - эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3, алмаза - 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита. Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода. При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов. К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь - примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты - коксовый газ (H2, CH4, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д. Схема основного аппарата для производства кокса - коксовой печи - приведена на рис. 3. Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260° С (процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и электродов, в частности для электролитического получения металлов.

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.

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 УГЛЕРОД 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана.

См. также ФУЛЛЕРЕНЫ.

Стандартная атомная масса. В 1961 Международные союзы теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и по физике приняли за единицу атомной массы массу изотопа углерода 12C, упразднив существовавшую до того кислородную шкалу атомных масс. Атомная масса углерода в этой системе равна 12,011, так как она является средней для трех природных изотопов углерода с учетом их распространенности в природе.

См. АТОМНАЯ МАССА. Химические свойства углерода и некоторых его соединений. Некоторые физические и химические свойства углерода приведены в статье ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ. Реакционная способность углерода зависит от его модификации, температуры и дисперсности. При низких температурах все формы углерода достаточно инертны, но при нагревании окисляются кислородом воздуха, образуя оксиды:

Мелкодисперсный углерод в избытке кислорода способен взрываться при нагревании или от искры. Кроме прямого окисления существуют более современные методы получения оксидов. Субоксид углерода C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P4O10:

C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.

Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется "водяной газ" и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:

Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 (r) CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген - COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа - более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО - "угарный газ"). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице. Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название - "углекислый газ") образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:

Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:

при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:

при сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:

Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же - СO2 и H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:

CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 < SrCO3 < BaCO3. Углекислый газ - химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2. Материалы, горящие при низких температурах - дерево, нефтепродукты, бумага и др., - не горят в среде СО2. Поэтому, а также из-за большей, чем у воздуха, плотности (СO2 в 1,5 раза тяжелее), углекислый газ используют в огнетушителях. В твердом состоянии СО2 известен как "сухой лед". При высоких концентрациях CO2 опасен для человека, так как блокирует доступ кислорода

(см. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА). Электронное строение оксидов углерода. Электронное строение любого оксида углерода можно описать тремя равновероятными схемами с различным расположением электронных пар - тремя резонансными формами:

Все оксиды углерода имеют линейное строение.

Угольная кислота. При взаимодействии СO2 с водой образуется угольная кислота H2CO3. В насыщенном растворе CO2 (0,034 моль/л) только часть молекул образует H2CO3, а большая часть CO2 находится в гидратированном состоянии CO2*H2O.

Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов с CO2, например, Na2O + CO2 -> NaHCO3 которые при нагревании разлагаются с выделением СО2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Карбонат натрия, или соду, производят в содовой промышленности в больших количествах преимущественно методом Сольве:

Другим методом соду получают из CO2 и NaOH

Карбонат-ион CO32- имеет плоское строение с углом O-C-O, равным 120°, и длиной СО-связи 1,31

(см. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО).

Галогениды углерода. Углерод непосредственно реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды, но скорость реакции и выход продукта невелики. Поэтому галогениды углерода получают другими методами, например, хлорированием дисульфида углерода получают CCl4: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S Тетрахлорид CCl4 - негорючее вещество, используется в качестве растворителя в процессах сухой чистки, но не рекомендуется применять его как пламегаситель, так как при высокой температуре происходит образование ядовитого фосгена (газообразное отравляющее вещество). Сам ССl4 также ядовит и при вдыхании в заметных количествах может вызвать отравление печени. СCl4 образуется и по фотохимической реакции между метаном СH4 и Сl2; при этом возможно образование продуктов неполного хлорирования метана - CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Аналогично протекают реакции и с другими галогенами.

Реакции графита. Графит как модификация углерода, отличающаяся большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли (FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16 (называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 между слоями), что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений, на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные группы (-СООН) - соединения типа оксидированного графита или меллитовой (бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.

Карбиды. Углерод образует с металлами, бором и кремнием разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы (IA-IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям:

Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Образующийся по реакции ацетилен C2H2 служит исходным сырьем в производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен, называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической. Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью. Например, NbC, TaC и HfC - наиболее тугоплавкие вещества (т.пл. = 4000-4200° С), карбид диниобия Nb2C - сверхпроводник при 9,18 К, TiC и W2C по твердости близки алмазу, а твердость B4C (структурного аналога алмаза) составляет 9,5 по шкале Мооса (см. рис. 2). Инертные карбиды образуются, если радиус переходного металла < 1,3 , а при большем радиусе образуются реакционноспособные карбиды типа Mn3C, Ni3C3, Fe3C.

Азотпроизводные углерода. К этой группе относится мочевина NH2CONH2 - азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN-> (CN)2 + 2e. Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу [[M(CN)x]]-0,5x, где х - координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион [[Ni(CN)4]]2-, гексацианоферрат(III) [[Fe(CN)6]]3-, дицианоаргентат [[Ag(CN)2]]-:

Карбонилы. Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, [[Fe(CO)4]]3, Mo(CO)6, [[Co(CO)4]]2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 - летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х - любой галоген

(см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).

Углеводороды. Известно огромное количество соединений углерода с водородом

(см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ).

ЛИТЕРАТУРА

Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М., 1980 Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990

Составить слова из слова углерод

КОМЕТА - небольшое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве и обильно выделяющее газ при сближении с Солнцем. С кометами связаны разнообразные физические процессы, от сублимации (сухое испарение) льда до плазменных явлений. Кометы - это остатки формирования Солнечной системы, переходная ступень к межзвездному веществу. Наблюдение комет и даже их открытие нередко осуществляются любителями астрономии. Иногда кометы бывают столь яркими, что привлекают всеобщее внимание. В прошлом появление ярких комет вызывало у людей страх и служило источником вдохновения для художников и карикатуристов.

Движение и пространственное распределение. Все или почти все кометы являются составными частями Солнечной системы. Они, как и планеты, подчиняются законам тяготения, но движутся весьма своеобразно. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (которое называют "прямым" в отличие от "обратного") по почти круговым орбитам, лежащим примерно в одной плоскости (эклиптики), а кометы движутся как в прямом, так и обратном направлениях по сильно вытянутым (эксцентричным) орбитам, наклоненным под различными углами к эклиптике. Именно характер движения сразу выдает комету. Долгопериодические кометы (с орбитальным периодом более 200 лет) прилетают из областей, расположенных в тысячи раз дальше, чем самые удаленные планеты, причем их орбиты бывают наклонены под всевозможными углами. Короткопериодические кометы (период менее 200 лет) приходят из района внешних планет, двигаясь в прямом направлении по орбитам, лежащим недалеко от эклиптики. Вдали от Солнца кометы обычно не имеют "хвостов", но иногда имеют еле видимую "кому", окружающую "ядро"; вместе их называют "головой" кометы. С приближением к Солнцу голова увеличивается и появляется хвост.

Структура. В центре комы располагается ядро - твердое тело или конгломерат тел диаметром в несколько километров. Практически вся масса кометы сосредоточена в ее ядре; эта масса в миллиарды раз меньше земной. Согласно модели Ф.Уиппла, ядро кометы состоит из смеси различных льдов, в основном водяного льда с примесью замерзших углекислоты, аммиака и пыли. Эту модель подтверждают как астрономические наблюдения, так и прямые измерения с космических аппаратов вблизи ядер комет Галлея и Джакобини - Циннера в 1985-1986. Когда комета приближается к Солнцу ее ядро нагревается, и льды сублимируются, т.е. испаряются без плавления. Образовавшийся газ разлетается во все стороны от ядра, унося с собой пылинки и создавая кому. Разрушающиеся под действием солнечного света молекулы воды образуют вокруг ядра кометы огромную водородную корону. Помимо солнечного притяжения на разреженное вещество кометы действуют и отталкивающие силы, благодаря которым образуется хвост. На нейтральные молекулы, атомы и пылинки действует давление солнечного света, а на ионизованные молекулы и атомы сильнее влияет давление солнечного ветра. Поведение частиц, формирующих хвост, стало значительно понятнее после прямого исследования комет в 1985-1986. Плазменный хвост, состоящий из заряженных частиц, имеет сложную магнитную структуру с двумя областями различной полярности. На обращенной к Солнцу стороне комы формируется лобовая ударная волна, проявляющая высокую плазменную активность.

ЧАСТИ КОМЕТЫ: схематически показаны ядро, кома, хвосты и другие важные элементы.

Хотя в хвосте и коме заключено менее одной миллионной доли массы кометы, 99,9% света исходит именно из этих газовых образований, и только 0,1% - от ядра. Дело в том, что ядро очень компактно и к тому же имеет низкий коэффициент отражения (альбедо). Потерянные кометой частицы движутся по своим орбитам и, попадая в атмосферы планет, становятся причиной возникновения метеоров ("падающих звезд"). Большинство наблюдаемых нами метеоров связано именно с кометными частицами. Иногда разрушение комет носит более катастрофический характер. Открытая в 1826 комета Биелы в 1845 на глазах у наблюдателей разделилась на две части. Когда в 1852 эту комету видели в последний раз, куски ее ядра удалились друг от друга на миллионы километров. Деление ядра обычно предвещает полный распад кометы. В 1872 и 1885, когда комета Биелы, если бы с нею ничего не случилось, должна была пересекать орбиту Земли, наблюдались необычайно обильные метеорные дожди.

См. также

МЕТЕОР;

МЕТЕОРИТ. Иногда кометы разрушаются при сближении с планетами. 24 марта 1993 на обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии астрономы К. и Ю.Шумейкеры совместно с Д.Леви открыли недалеко от Юпитера комету с уже разрушенным ядром. Вычисления показали, что 9 июля 1992 комета Шумейкеров - Леви-9 (это уже девятая открытая ими комета) прошла вблизи Юпитера на расстоянии половины радиуса планеты от ее поверхности и была разорвана его притяжением более чем на 20 частей. До разрушения радиус ее ядра составлял ок. 20 км.

Таблица 1.

ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ КОМЕТ

Растянувшись в цепочку, осколки кометы удалились от Юпитера по вытянутой орбите, а затем в июле 1994 вновь приблизились к нему и столкнулись с облачной поверхностью Юпитера.

Происхождение. Ядра комет - это остатки первичного вещества Солнечной системы, составлявшего протопланетный диск. Поэтому их изучение помогает восстановить картину формирования планет, включая Землю. В принципе некоторые кометы могли бы приходить к нам из межзвездного пространства, но пока ни одна такая комета надежно не выявлена.

Газовый состав. В табл. 1 перечислены основные газовые составляющие комет в порядке убывания их содержания. Движение газа в хвостах комет показывает, что на него сильно влияют негравитационные силы. Свечение газа возбуждается солнечным излучением.

ОРБИТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Чтобы лучше понять этот раздел, советуем познакомиться со статьями:

НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА;

КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ;

ОРБИТА;

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Орбита и скорость. Движение ядра кометы полностью определяется притяжением Солнца. Форма орбиты кометы, как и любого другого тела в Солнечной системе, зависит от ее скорости и расстояния до Солнца. Средняя скорость тела обратно пропорциональна квадратному корню из его среднего расстояния до Солнца (a). Если скорость всегда перпендикулярна радиусу-вектору, направленному от Солнца к телу, то орбита круговая, а скорость называют круговой скоростью (vc) на расстоянии a. Скорость ухода из гравитационного поля Солнца по параболической орбите (vp) в раз больше круговой скорости на этом расстоянии. Если скорость кометы меньше vp, то она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и никогда не покидает Солнечной системы. Но если скорость превосходит vp, то она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и никогда не покидает Солнечной системы. Но если скорость превосходит vp , то комета один раз проходит мимо Солнца и навсегда покидает его, двигаясь по гиперболической орбите. На рисунке показаны эллиптические орбиты двух комет, а также почти круговые орбиты планет и параболическая орбита. На расстоянии, которое отделяет Землю от Солнца, круговая скорость равна 29,8 км/с, а параболическая - 42,2 км/с. Вблизи Земли скорость кометы Энке равна 37,1 км/с, а скорость кометы Галлея - 41,6 км/с; именно поэтому комета Галлея уходит значительно дальше от Солнца, чем комета Энке.

ТИПЫ ОРБИТ. Эллиптическая орбита кометы Галлея имеет наклонение 18° к плоскости земной орбиты. Орбита кометы Энке наклонена на 12°. Показана также параболическая орбита.

Классификация кометных орбит. Орбиты у большинства комет эллиптические, поэтому они принадлежат Солнечной системе. Правда, у многих комет это очень вытянутые эллипсы, близкие к параболе; по ним кометы уходят от Солнца очень далеко и надолго. Принято делить эллиптические орбиты комет на два основных типа: короткопериодические и долгопериодические (почти параболические). Пограничным считается орбитальный период в 200 лет.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Почти параболические кометы. К этому классу относятся многие кометы. Поскольку их периоды обращения составляют миллионы лет, в течение века в окрестности Солнца появляется лишь одна десятитысячная их часть. В 20 в. наблюдалось ок. 250 таких комет; следовательно, всего их миллионы. К тому же далеко не все кометы приближаются к Солнцу настолько, чтобы стать видимыми: если перигелий (ближайшая к Солнцу точка) орбиты кометы лежит за орбитой Юпитера, то заметить ее практически невозможно. Учитывая это, в 1950 Ян Оорт предположил, что пространство вокруг Солнца на расстоянии 20-100 тыс. а.е. (астрономических единиц: 1 а.е. = 150 млн. км, расстояние от Земли до Солнца) заполнено ядрами комет, численность которых оценивается в 1012, а полная масса - в 1-100 масс Земли. Внешняя граница "кометного облака" Оорта определяется тем, что на этом расстоянии от Солнца на движение комет существенно влияет притяжение соседних звезд и других массивных объектов (см. ниже). Звезды перемещаются относительно Солнца, их возмущающее влияние на кометы изменяется, и это приводит к эволюции кометных орбит. Так, случайно комета может оказаться на орбите, проходящей вблизи Солнца, но на следующем обороте ее орбита немного изменится, и комета пройдет вдали от Солнца. Однако вместо нее из облака Оорта в окрестность Солнца будут постоянно попадать "новые" кометы.

Короткопериодические кометы. При прохождении кометы вблизи Солнца ее ядро нагревается, и льды испаряются, образуя газовые кому и хвост. После нескольких сотен или тысяч таких пролетов в ядре не остается легкоплавких веществ, и оно перестает быть видимым. Для регулярно сближающихся с Солнцем короткопериодических комет это означает, что менее чем за миллион лет их популяция должна стать невидимой. Но мы их наблюдаем, следовательно, постоянно поступает пополнение из "свежих" комет. Пополнение короткопериодических комет происходит в результате их "захвата" планетами, главным образом Юпитером. Ранее считалось, что захватываются кометы из числа долгопериодических, приходящих из облака Оорта, но теперь полагают, что их источником служит кометный диск, называемый "внутренним облаком Оорта". В принципе представление об облаке Оорта не изменилось, однако расчеты показали, что приливное влияние Галактики и воздействие массивных облаков межзвездного газа должны довольно быстро его разрушать. Необходим источник его пополнения. Таким источником теперь считают внутреннее облако Оорта, значительно более устойчивое к приливному влиянию и содержащее на порядок больше комет, чем предсказанное Оортом внешнее облако. После каждого сближения Солнечной системы с массивным межзвездным облаком кометы из внешнего облака Оорта разлетаются в межзвездное пространство, а им на смену приходят кометы из внутреннего облака. Переход кометы с почти параболической орбиты на короткопериодическую происходит в том случае, если она догоняет планету сзади. Обычно для захвата кометы на новую орбиту требуется несколько ее проходов через планетную систему. Результирующая орбита кометы, как правило, имеет небольшое наклонение и большой эксцентриситет. Комета движется по ней в прямом направлении, и афелий ее орбиты (наиболее удаленная от Солнца точка) лежит вблизи орбиты захватившей ее планеты. Эти теоретические соображения полностью подтверждаются статистикой кометных орбит.

Негравитационные силы. Газообразные продукты сублимации оказывают реактивное давление на ядро кометы (подобное отдаче ружья при выстреле), которое приводит к эволюции орбиты. Наиболее активный отток газа происходит с нагретой "послеполуденной" стороны ядра. Поэтому направление силы давления на ядро не совпадает с направлением солнечных лучей и солнечного тяготения. Если осевое вращение ядра и его орбитальное обращение происходят в одном направлении, то давление газа в целом ускоряет движение ядра, приводя к увеличению орбиты. Если же вращение и обращение происходят в противоположных направлениях, то движение кометы тормозится, и орбита сокращается. Если такая комета первоначально была захвачена Юпитером, то через некоторое время ее орбита целиком оказывается в области внутренних планет. Вероятно, именно это случилось с кометой Энке.

Кометы, задевающие Солнце. Особую группу короткопериодических комет составляют кометы, "задевающие" Солнце. Вероятно, они образовались тысячелетия назад в результате приливного разрушения крупного, не менее 100 км в диаметре, ядра. После первого катастрофического сближения с Солнцем фрагменты ядра совершили ок. 150 оборотов, продолжая распадаться на части. Двенадцать членов этого семейства комет Крейца наблюдались между 1843 и 1984. Возможно, их происхождение связано с большой кометой, которую видел Аристотель в 371 до н.э.

В ПРОШЛОМ кометы иногда считались предвестницами несчастий. На иллюстрации (1579) вождь ацтеков Монтесума наблюдает небесный знак падения своего царства.

Комета Галлея. Это самая знаменитая из всех комет. Она наблюдалась 30 раз с 239 до н.э. Названа в честь Э. Галлея, который после появления кометы в 1682 рассчитал ее орбиту и предсказал ее возвращение в 1758. Орбитальный период кометы Галлея - 76 лет; последний раз она появилась в 1986 и в следующий раз будет наблюдаться в 2061. В 1986 ее изучали с близкого расстояния 5 межпланетных зондов - два японских ("Сакигаке" и "Суйсей"), два советских ("Вега-1" и "Вега-2") и один европейский ("Джотто"). Оказалось, что ядро кометы имеет картофелеобразную форму длиной ок. 15 км и шириной ок. 8 км, а его поверхность "чернее угля".Возможно, оно покрыто слоем органических соединений, например полимеризованного формальдегида. Количество пыли вблизи ядра оказалось значительно выше ожидаемого. См. также ГАЛЛЕЙ, ЭДМУНД.

ЯДРО КОМЕТЫ ГАЛЛЕЯ, схематическое изображение кометы.

Комета Энке. Эта тусклая комета была первой включена в семейство комет Юпитера. Ее период 3,29 года - наиболее короткий среди комет. Орбиту впервые вычислил в 1819 немецкий астроном И.Энке (1791-1865), отождествивший ее с кометами, наблюдавшимися в 1786, 1795 и 1805. Комета Энке ответственна за метеорный поток Тауриды, наблюдающийся ежегодно в октябре и ноябре.

КОМЕТА ХЕЙЛА - БОППА, приближавшаяся к Солнцу весной 1997.

Комета Джакобини - Циннера. Эту комету открыл М. Джакобини в 1900 и переоткрыл Э. Циннер в 1913. Ее период 6,59 лет. Именно с ней 11 сентября 1985 впервые сблизился космический зонд "International Cometary Explorer", который прошел через хвост кометы на расстоянии 7800 км от ядра, благодаря чему были получены данные о плазменной компоненте хвоста. С этой кометой связан метеорный поток Джакобиниды (Дракониды).

ФИЗИКА КОМЕТ

Ядро. Все проявления кометы так или иначе связаны с ядром. Уиппл предположил, что ядро кометы является сплошным телом, состоящим в основном из водяного льда с частицами пыли. Такая модель "грязного снежка" легко объясняет многократные пролеты комет вблизи Солнца: при каждом пролете испаряется тонкий поверхностный слой (0,1-1% полной массы) и сохраняется внутренняя часть ядра. Возможно, ядро является конгломератом нескольких "кометезималей", каждая не более километра в диаметре. Такая структура могла бы объяснить распад ядер на части, как это наблюдалось у кометы Биелы в1845 или у кометы Веста в 1976.

Блеск. Наблюдаемый блеск освещенного Солнцем небесного тела с неизменной поверхностью меняется обратно пропорционально квадратам его расстояний от наблюдателя и от Солнца. Однако солнечный свет рассеивается в основном газопылевой оболочкой кометы, эффективная площадь которой зависит от скорости сублимации льда, а та, в свою очередь, - от теплового потока, падающего на ядро, который сам изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. Поэтому блеск кометы должен меняться обратно пропорционально четвертой степени расстояния до Солнца, что и подтверждают наблюдения.

Размер ядра. Размер ядра кометы можно оценить из наблюдений в то время, когда оно далеко от Солнца и не окутано газопылевой оболочкой. В этом случае свет отражается только твердой поверхностью ядра, и его видимый блеск зависит от площади сечения и коэффициента отражения (альбедо). У ядра кометы Галлея альбедо оказалось очень низким - ок. 3%. Если это характерно и для других ядер, то диаметры большинства из них лежат в диапазоне от 0,5 до 25 км.

Сублимация. Переход вещества из твердого состояния в газообразное важен для физики комет. Измерения яркости и спектров излучения комет показали, что плавление основных льдов начинается на расстоянии 2,5-3,0 а.е., как должно быть, если лед в основном водяной. Это подтвердилось при изучении комет Галлея и Джакобини - Циннера. Газы, наблюдающиеся первыми при сближении кометы с Солнцем (CN, C2), вероятно, растворены в водяном льде и образуют газовые гидраты (клатраты). Каким образом этот "составной" лед будет сублимироваться, в значительной степени зависит от термодинамических свойств водяного льда. Сублимация пыле-ледяной смеси происходит в несколько этапов. Потоки газа и подхваченные ими мелкие и пушистые пылинки покидают ядро, поскольку притяжение у его поверхности крайне слабое. Но плотные или скрепленные между собой тяжелые пылинки газовый поток не уносит, и формируется пылевая кора. Затем солнечные лучи нагревают пылевой слой, тепло проходит внутрь, лед сублимируется, и газовые потоки прорываются, ломая пылевую кору. Эти эффекты проявились при наблюдении кометы Галлея в 1986: сублимация и отток газа происходили лишь в нескольких областях ядра кометы, освещенных Солнцем. Вероятно, в этих областях обнажился лед, тогда как остальная поверхность была закрыта корой. Вырвавшиеся на свободу газ и пыль формируют наблюдаемые структуры вокруг ядра кометы.

Кома. Пылинки и газ из нейтральных молекул (табл. 1) образуют почти сферическую кому кометы. Обычно кома тянется от 100 тыс. до 1 млн. км от ядра. Давление света может деформировать кому, вытянув ее в антисолнечном направлении.

Водородная корона. Поскольку льды ядра в основном водяные, то и кома в основном содержит молекулы H2O. Фотодиссоциация разрушает H2O на H и OH, а затем OH - на O и H. Быстрые атомы водорода улетают далеко от ядра прежде чем оказываются ионизованными, и образуют корону, видимый размер которой часто превосходит солнечный диск.

Хвост и сопутствующие явления. Хвост кометы может состоять из молекулярной плазмы или пыли. Некоторые кометы имеют хвосты обоих типов. Пылевой хвост обычно однородный и тянется на миллионы и десятки миллионов километров. Он образован пылинками, отброшенными давлением солнечного света от ядра в антисолнечном направлении, и имеет желтоватый цвет, поскольку пылинки просто рассеивают солнечный свет. Структуры пылевого хвоста могут объясняться неравномерным извержением пыли из ядра или разрушением пылинок. Плазменный хвост в десятки и даже сотни миллионов километров длиной - это видимое проявление сложного взаимодействия между кометой и солнечным ветром. Некоторые покинувшие ядро молекулы ионизуются солнечным излучением, образуя молекулярные ионы (H2O+, OH+, CO+, CO2+) и электроны. Эта плазма препятствует движению солнечного ветра, пронизанного магнитным полем. Наталкиваясь на комету, силовые линии поля оборачиваются вокруг нее, принимая форму шпильки для волос и образуя две области противоположной полярности. Молекулярные ионы захватываются в эту магнитную структуру и образуют в центральной, наиболее плотной ее части видимый плазменный хвост, имеющий голубой цвет из-за спектральных полос CO+ . Роль солнечного ветра в формировании плазменных хвостов установили Л.Бирман и Х. Альвен в 1950-х годах. Их расчеты подтвердили измерения с космических аппаратов, пролетевших через хвосты комет Джакобини - Циннера и Галлея в 1985 и 1986. В плазменном хвосте происходят и другие явления взаимодействия с солнечным ветром, налетающим на комету со скоростью ок. 400 км/с и образующим перед ней ударную волну, в которой уплотняется вещество ветра и головы кометы. Существенную роль играет процесс "захвата"; суть его в том, что нейтральные молекулы кометы свободно проникают в поток солнечного ветра, но сразу после ионизации начинают активно взаимодействовать с магнитным полем и ускоряются до значительных энергий. Правда, иногда наблюдаются весьма энергичные молекулярные ионы, необъяснимые с точки зрения указанного механизма. Процесс захвата возбуждает также плазменные волны в гигантском объеме пространства вокруг ядра. Наблюдение этих явлений имеет фундаментальный интерес для физики плазмы. Замечательное зрелище представляет "обрыв хвоста". Как известно, в нормальном состоянии плазменный хвост связан с головой кометы магнитным полем. Однако нередко хвост отрывается от головы и отстает, а на его месте образуется новый. Это случается, когда комета проходит через границу областей солнечного ветра с противоположно направленным магнитным полем. В этот момент магнитная структура хвоста перестраивается, что выглядит как обрыв и формирование нового хвоста. Сложная топология магнитного поля приводит к ускорению заряженных частиц; возможно, этим объясняется появление упомянутых выше быстрых ионов.

Столкновения в Солнечной системе. Из наблюдаемого количества и орбитальных параметров комет Э. Эпик вычислил вероятность столкновения с ядрами комет различного размера (табл. 2). В среднем 1 раз за 1,5 млрд. лет Земля имеет шанс столкнуться с ядром диаметром 17 км, а это может полностью уничтожить жизнь на территории, равной площади Северной Америки. За 4,5 млрд. лет истории Земли такое могло случаться неоднократно. Гораздо чаще происходят катастрофы меньшего масштаба: в 1908 над Сибирью, вероятно, вошло в атмосферу и взорвалось ядро небольшой кометы, вызвав полегание леса на большой территории.

Таблица 2.

СТОЛКНОВЕНИЯ ЗЕМЛИ С ЯДРАМИ КОМЕТ

ЯВЛЕНИЕ ОБРЫВА хвоста кометы, показанное на серии фотографий кометы Галлея (сверху вниз).

ЛИТЕРАТУРА

Всехсвятский С. К. Природа и происхождение комет и метеорного вещества. М., 1967 Чурюмов К. И. Кометы и их наблюдение. М., 1980 Марочник Л. С. Свидание с кометой. М., 1985

Составить слова из слова комета

СЕЛЕ́Н -а; м. [от греч. Selēnē - Луна] Химический элемент (Sе), серо-чёрное ядовитое вещество, полупроводник, обладающий фотоэлектрическими свойствами (применяется в технике и стекольной промышленности).

◁ Селе́новый, -ая, -ое. С. фотоэлемент. С-ая кислота. С-ое стекло.

* * *

селе́н (лат. Selenium), химический элемент VI группы периодической системы. Название от греческого selēnē - Луна. Образует несколько модификаций. Наиболее устойчив серый селен - кристаллы, плотность 4,807 г/см³, t_пл 221°C. В природе рассеян, сопутствует сере, добывают из отходов (шламов) при электролитической очистке меди. Полупроводник, обладающий фотоэлектрическими свойствами. Селеновые фотоэлементы применяют в различных устройствах, например фотоэлектрических экспонометрах. Все соединения селена ядовиты.

* * *

СЕЛЕН - СЕЛЕ́Н (лат. selenium, от греческого Selene - Луна), Se, читается «селен», химический элемент с атомным номером 34, атомная масса 78,96. Природный селен состоит из шести стабильных изотопов: ⁷⁴Se (0,87% по массе), ⁷⁶Se (9,02%), ⁷⁷Se (7,58%), ⁷⁸Se (23,52%), ⁸⁰Se (49,82%) и ⁸²Se (9,19%). Радиус атома 0,160 нм. Радиус ионов (координационное число 6) Se^2-- 0,184 нм, Se⁴⁺ - 0,069 нм и Se⁶⁺- 0,056 нм. Энергии последовательной ионизации 9,752, 21,2, 32,0, 42,9 и 68,3 эВ. Расположен в VIA группе в 4 периоде периодической системы элементов. Хaлькоген (см. ХАЛЬКОГЕНЫ). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s²4p⁴. Степени окисления: -2, +2, +4, +6 (валентности II, IV, VI). Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 2,40.

История открытия

Селен был открыт в 1817 шведским химиком Й. Я. Берцелиусом (см. БЕРЦЕЛИУС Йенс Якоб) в шламах свинцовых камер одного из сернокислотных заводов. По свойствам оказался похож на открытый в 1782 М. Г. Клапротом (см. КЛАПРОТ Мартин Генрих) теллур (см. ТЕЛЛУР).

Нахождение в природе

Селен редкий, рассеянный элемент. Содержание в земной коре 1,4·10^-5% по массе. Селениды почти всегда изоморфны соответствующим сульфидам, они обычно находятся в природе как примесь в соответствующих сульфидах (в железном колчедане (см. КОЛЧЕДАНЫ) FeS₂, халькопирите (см. ХАЛЬКОПИРИТ) CuFeS₂, цинковой обманке (см. СФАЛЕРИТ) ZnS).

Селеновые минералы очень редки, среди них: берцелианит Cu₂Se, тиеманит HgSe, науманит Ag₂Se, халькоменит CuSeO ₃·2H ₂O. Сaмородный селен в природе встречается редко.

Получение

Основные источники селена - пыль, образующаяся при обжиге селенсодержащих сульфидов и шламы свинцовых камер.

После обработки шламов концентрированной серной кислотой, содержащей нитрат натрия, селен переходит в раствор, образуя селенистую кислоту H₂SeO₃ и, частично, селеновую кислоту H₂SeO₄. Селеновая кислота при нагревании с соляной кислотой восстанавливается до селенистой кислоты. Затем через полученный раствор селенистой кислоты пропускают сернистый газ SO₂

H₂SeO₃ + 2SO₂ + H₂O = Se + 2H₂SO₄

выпадает красный осадок элементарного селена.

Для очистки селен далее сжигают в кислороде, насыщенном парами дымящей азотной кислоты HNO₃. При этом сублимируется чистый диоксид селена SeO₂. Из раствора SeO₂ в воде после добавления соляной кислоты селен опять осаждают, пропуская через раствор сернистый газ.

Полученный селен переплавляют, расплав фильтруют через стеклоткань или активированный уголь и подвергают вакуумной дистилляции или ректификации в инертной атмосфере.

Физические и химические свойства

Селен - серый, с металлическим блеском хрупкий неметалл.

При атмосферном давлении существует несколько десятков модификаций селена. Наиболее стабилен серый селен, g-Se, с гексагональной решеткой (a = 0.436388 нм, c = 0.495935 нм). Температура плавления 221°C, кипения 685°C, плотность 4,807 кг/дм³. Плотность жидкого селена при 221°C - 4,06 кг/дм³. Серый селен получают из других форм длительным нагреванием и медленным охлаждением расплава или паров селена. Его структура состоит из параллельных спиральных цепей.

Из растворов селена в CS₂ выделены три модификации красного кристаллического селена с моноклинной решеткой. a-Se оранжево-красного цвета, a = 0,9054 нм, b = 0,9083 нм, c = 1,1601 нм, угол b = 90,81°, температура плавления 170°C, плотность 4,46 кг/дм³.

b-Se темно-красного цвета, a = 1,285 нм, b = 0,807 нм, c = 0,931 нм, угол b = 93,13°, температура плавления 180°C, плотность 4,50 кг/дм³.

g-Se красного цвета, a = 1,5018 нм, b = 1,4713 нм, c = 0,8789 нм, угол b = 93,61°, плотность 4.33 кг/дм³. Красный селен содержит кольцевые молекулы Se₈.

При восстановлении селенистой кислоты или быстром охлаждении паров селена образуется аморфный красный селен. От еще одной модификации аморфного стекловидного селена аморфный красный селен отличается только размером составляющих его микрочастиц. Плотность красного селена 4,28 кг/дм³.

При 27 МПа получена кубическая модификация селена. Серый g-Se - полупроводник с дырочной проводимостью, ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. В темноте проводит электрический ток очень плохо. При освещении электропроводимость возрастает в тысячи раз.

Селен химически активен. При нагревании на воздухе сгорает с образованием бесцветного кристаллического SeO₂:

Se +O₂ = SeO₂.

Со фтором (см. ФТОР), хлором (см. ХЛОР) и бромом (см. БРОМ) селен реагирует при комнатной температуре. С иодом (см. ИОД) селен сплавляется, но иодиды не образует. Выше 200°C селен реагирует с водородом (см. ВОДОРОД) с образованием селеноводорода H₂Se. При нагревании реагирует с металлами, образуя селениды.

С водой также aзаимодействует при нагревании:

3Se + 3H₂O = 2H₂Se + H₂SeO₃.

С неокисляющими и разбавленными кислотами селен не взаимодействует. С концентрированной серной (см. СЕРНАЯ КИСЛОТА) кислотой селен взаимодействует на холоде (цвет растворов, nодержащих полимерные катионы Se₈⁺, зеленый). со временем катионы Se₈⁺ пaреходят в Se₄²⁺ и раствор желтеет.

Селен реагирует при нагревании с азотной кислотой, с образованием селенистой кислоты H₂SeO₃:

3Se + 4HNO₃ + H₂O = 3H₂SeO₃ + 4NO.

При кипячении в щелочных растворах селен диспропорционирует:

3Se + 6KOH = K₂SeO₃ + 2K₂Se + 3H₂O.

Если селен кипятят в щелочном растворе, через который пропускают воздух или кислород, то образуются красно-коричневые растворы, содержащие полиселениды:

K₂Se + 3Se = K₂Se₄

Селен взамодействует с сульфидами и полисульфидами с образованием тиоселенидов. При нагревании селена с растворами Na₂SO₃ и KCN протекают реакции:

Na₂SO₃ + Se = Na₂SSeO₃;

KCN + Se = KSeCN.

Сильные окислители ( озон (см. ОЗОН) О₃, фтор (см. ФТОР) F₂) окисляют селен до Se⁺⁶:

Se + O₃ = SeO₃,

Se + 3F₂ = SeF₆.

Применение

Аморфный Se входит в состав светочувствительных слоев в ксерографии (см. КСЕРОГРАФИЯ) и лазерных принтерах. Серый Se применяется в изготовлении диодов, фоторезисторов и др. Селен - пигмент для стекол, присадка к стали, добавка к сере при вулканизации, для получения катализаторов, гербицидов, инсектицидов, лекарственных средств.

Физиологическое действие

Микроэлемент (массовая доля в организме 10^-5-10^-7%).

В организм человека селен поступает с пищей (55-110 мг в год). Концентрируется в печени и почках. При больших дозах в первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты. Атомы селена замещают атомы серы:

R-S-S_-R + 2Se = R-Se-Se_-R + 2S

В малых количествах селен должен содержаться в пище цыплят, телят, ягнят и кроликов. Селен входит в состав активных центров ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы, в активном центре которой содержится остаток аминокислоты - селеноцистеина:

Селен способен предохранять организм от отравления ртутью (см. РТУТЬ) и кадмием (см. КАДМИЙ), так как связывает их. Существует взаимосвязь между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака.

Пары селена ядовиты. ПДК аморфного селена в воздухе 2 мг/м³, SeO₂, Na₂SeO₃ - 0,1 мг/м³. ПДК селена в воде 0,01 мг/м³.

Составить слова из слова селен