Четири характеристики на въглерода

Въглеродът е неметален елемент с химичен символ на C. Това е четвъртият най-разпространен елемент във Вселената и 15-ият най-разпространен елемент в земната кора. Той е и вторият най-разпространен елемент при хората след кислорода. Химичният му състав води до няколко уникални свойства на въглерода.

Въглеродът принадлежи към група 14 на периодичната система. Атомният му номер е 6 и има атомно тегло 12,011. Степента на окисление на въглерода може да варира от -4 до +4, където +4 съществува в съединения като метан и въглероден дисулфид и +2 за въглероден оксид.

Физическите свойства на различните въглеродни алотропи ги правят полезни в батерии, електроника и наноматериали. Въглеродът също е „царят на елементите“, формирайки почти 10 милиона съединения към днешна дата, включително органични, неорганични и органометални съединения.

Изотопите на въглерода се използват широко за радиовъглеродно датиране (въглерод-14), молекулярна структура и медицински изследвания (въглерод-13). В допълнение, въглеродните влакна показват отлични механични свойства и са популярни в космическото и гражданското строителство.

Въглеродът има различно алотропни форми, с разнообразни молекулярни конфигурации и атомни структури. Физическите свойства на въглерода варират значително при всеки алотроп. Някои от най-известните алотропи на въглерода включват графит, диамант и фулерени.

Графитът е един от най-меките известни материали и се използва в моливи и като твърда смазка. Освен това е добър проводник на електричество, което го прави полезен за батерии и слънчеви панели.

Графенът е просто един атомен слой графит, разположен в решетка от пчелна пита. В графенов слой всеки въглероден атом е свързан ковалентно с три други атома, оставяйки четвъртия електрон свободен да мигрира в равнината, откъдето произтича и неговата електрическа проводимост.

Напротив, диамантът е най-твърдото естествено вещество и е едно от уникалните свойства на въглерода. Той има почти двойна плътност на графита и всеки въглероден атом е свързан тетраедрично с четири други, без свободно течащи електрони. По този начин диамантът е лош проводник на електричество. Диамантът също е бистър на външен вид, за разлика от графита, който е непрозрачен.

Учените са синтезирали и други алотропи на въглерода, като фулерени, въглеродни нанопени и други. Те притежават специални свойства и представляват процъфтяваща област на изследвания в наноматериали. Фулерените са група от кухи въглеродни молекули в конформация на затворена клетка (бакибол) или цилиндър (въглеродни нанотръби).

•••Създаден с помощта на ChemDraw

C₆₀ buckyball е открит от сър Харолд Крото, Ричард Смоли и Робърт Кърл-младши, с помощта на лазер за изпаряване на графитни пръчки в хелиева атмосфера. Въглеродните атоми са свързани заедно с единични и двойни връзки, за да образуват 12 петоъгълни и 20 шестоъгълни лица във форма на футболна топка. Техните пионерски усилия им донесоха Нобелова награда през 1996 г.

Въглеродните нанотръби, които са удължени версии на бъкиболите, са идентифицирани от Iijima Sumio. Те са отлични проводници на топлина и електричество и са полезни за електрониката.

Въглеродните нанотръби също демонстрират впечатляваща якост на опън и имат вълнуващи приложения в структурни материали и медицина. Контролираният синтез на такива наноматериали обаче представлява голямо предизвикателство пред учените.

Въглеродът е в основата на живота на Земята, като милиони съединения, съдържащи въглерод, съставляват 18 процента от всички живи същества. Той може да образува стабилни, ковалентни връзки с други атоми и да изглежда като дълги вериги или пръстени от силни взаимосвързващи въглерод-въглеродни връзки. Те допринасят за разнообразието и сложността на въглеродните съединения, съществуващи на Земята.

Тези въглеродни съединения включват органични молекули като протеини, въглехидрати и ДНК, намиращи се в клетките на живите организми, както и неорганични съединения като въглеродни оксиди. Изследването на органичните молекули представлява специализирана област, наречена органична химия. Въглеродът също може да образува ковалентни връзки с метал като органометални съединения. Такъв пример е железният порфирин, който е мястото на свързване на кислорода на хемоглобина.

Въпреки изобилието си в природата, въглеродът е относително неактивен при нормални условия. При стандартна температура той не реагира на киселини (сярна киселина или солна киселина) или основи. Също така е устойчив на окисляване при тази температура. При по-високи температури обаче въглеродът може да реагира с кислород, образувайки въглеродни оксиди (CO₂ и CO), със сярна газ за образуване на въглероден дисулфид и със силиций за образуване на карбиди.

Известни са 15 изотопа на въглерод, от които въглерод-12 (98,93% от естествения въглерод) и въглерод-13 (1,07%) са двата стабилни изотопа. Въглерод-14 е най-дълго живеещият изотоп с полуживот 5730 години. Въглеродният изотоп с най-кратък живот е въглерод-8 и има период на полуразпад 1.98739 х 10⁻²¹ секунди.

Изотопът въглерод-14 е представен от ¹⁴₆С, където предписът 14 е атомната маса, а предписването 6 е атомният номер. Въглерод-14 има много ниско естествено изобилие (0,0000000001 процента), но дългият му полуживот го прави полезен за радиометрично датиране.

Въглерод-14 се образува, когато азотът-14 реагира с неутрони от космическо излъчване, освобождавайки протон в този процес. След това въглеродът-14 реагира с кислорода, за да генерира ¹⁴CO₂, който е равномерно разпределен в атмосферата с ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁стр

Въглеродният цикъл започва, когато живите организми преобразуват въглеродния диоксид (¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ от атмосферата) в органични съединения чрез фотосинтеза и я освобождават обратно в атмосферата чрез дишане. В това равновесие има фиксирано съотношение на ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ в организмите. Когато обаче умрат, равновесието спира и въглеродът-14 претърпява бета-разпад до азота-14 според неговия полуживот от 5 730 години.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1д

Измерването на относителното съотношение на въглерод-14 в мъртъв образец позволява по този начин да се изчисли времето, изминало след смъртта му. Този метод на радиовъглеродно датиране е широко използван за датиране на вкаменелости и археологически образци на възраст от 500 до 50 000 години.

Carbon-13 е друг изотоп, който се използва широко в много приложения. Например, Той се използва в ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) за определяне на молекулярни структури на органични съединения. Използва се и като инструмент за етикетиране в комбинация с масспектрометър за медицински изследвания.

Въглеродът също така показва полезни механични свойства, различни от физическите, химичните и ядрените си свойства.

Може да се образува сплави със стомана във въглеродна стомана, чието съдържание на въглерод варира от 0,05 до 2 тегловни процента. Средната въглеродна стомана (0,3-0,6% въглерод) има балансирана якост и пластичност, както и отлична якост на опън. Чрез процес на топлинна обработка свръхвъглеродната стомана (1,25-2 процента въглерод) може да се закали до голяма твърдост и да се използва за производството на ножове.

Въглеродните влакна, които са влакна с дебелина от 5 до 10 μm, съставени предимно от въглеродни атоми, показват високи нива твърдост, якост на опън, химическа устойчивост, температурен толеранс и ниско тегло и термични разширяване. Границата на провлачване на стоманата зависи от нейния клас, а меката стомана има граница на плъзгане 247 MPa. Въглеродните влакна имат якост на опън в диапазона от 1600 до 6 370 МРа и следователно са популярни в областта на космическата, строителната и спорт.

Когато се упражнява напрежение върху даден материал, той първоначално се деформира еластично. На този етап тя може да се върне в първоначалната си форма, когато стресът бъде премахнат. Провлачване се определя като напрежението, което материалът може да издържи без трайна деформация.

Когато достигне точка (горна граница на добив), в която вече не може да се върне към първоначалните си размери, тя претърпява пластична деформация, която е постоянна и необратима. Якостта на опън е максималната якост, която един материал може да издържи, без да се повреди или счупи.