Τέσσερα χαρακτηριστικά του άνθρακα

Ο άνθρακας είναι ένα μη μεταλλικό στοιχείο με χημικό σύμβολο του C. Είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν και το 15ο πιο άφθονο στοιχείο στο φλοιό της Γης. Είναι επίσης το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον άνθρωπο μετά το οξυγόνο. Το χημικό του μακιγιάζ οδηγεί σε πολλές μοναδικές ιδιότητες του άνθρακα.

Ο Carbon ανήκει στην Ομάδα 14 του περιοδικού πίνακα. Ο ατομικός του αριθμός είναι 6 και έχει ατομικό βάρος 12.011. Οι καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα μπορεί να κυμαίνονται από -4 έως +4, όπου το +4 υπάρχει σε ενώσεις όπως το μεθάνιο και το δισουλφίδιο του άνθρακα και +2 για το μονοξείδιο του άνθρακα.

Οι φυσικές ιδιότητες διαφορετικών αλλοτρόπων άνθρακα τις καθιστούν χρήσιμες σε μπαταρίες, ηλεκτρονικά και νανοϋλικά. Ο άνθρακας είναι επίσης ο «βασιλιάς των στοιχείων», σχηματίζοντας σχεδόν 10 εκατομμύρια ενώσεις μέχρι σήμερα συμπεριλαμβανομένων των οργανικών, ανόργανων και οργανομεταλλικών ενώσεων.

Τα ισότοπα του άνθρακα χρησιμοποιούνται εκτενώς για ραντεβού άνθρακα (άνθρακα-14), μοριακή δομή και ιατρική έρευνα (άνθρακας-13). Επιπλέον, οι ίνες άνθρακα παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και είναι δημοφιλείς στην αεροδιαστημική και την πολιτική μηχανική.

Ο άνθρακας έχει διαφορετικά αλλοτροπικές μορφές, με ποικίλες μοριακές διαμορφώσεις και ατομικές δομές. Οι φυσικές ιδιότητες του άνθρακα ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό με κάθε αλλοτρόπο. Μερικά από τα πιο γνωστά αλλοτρόπα άνθρακα περιλαμβάνουν γραφίτη, διαμάντι και φουλλερένια.

Ο γραφίτης είναι ένα από τα πιο μαλακά γνωστά υλικά και χρησιμοποιείται σε μολύβια και ως στερεό λιπαντικό. Είναι επίσης ένας καλός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστώντας το χρήσιμο σε μπαταρίες και ηλιακούς συλλέκτες.

Το γραφένιο είναι απλώς ένα ατομικό στρώμα γραφίτη διατεταγμένο σε ένα κυψελωτό πλέγμα. Σε ένα στρώμα γραφενίου, κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται ομοιοπολικά με τρία άλλα άτομα, αφήνοντας το τέταρτο ηλεκτρόνιο ελεύθερο να μεταναστεύσει στο επίπεδο, εξ ου και η ηλεκτρική αγωγιμότητά του.

Το διαμάντι, αντίθετα, είναι η πιο δύσκολη φυσική ουσία και είναι μία από τις μοναδικές ιδιότητες του άνθρακα. Έχει σχεδόν διπλάσια πυκνότητα γραφίτη και κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται τετραεδρικά με τέσσερα άλλα χωρίς ηλεκτρόνια ελεύθερης ροής. Έτσι, το διαμάντι είναι ένας κακός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Το διαμάντι είναι επίσης καθαρό στην εμφάνιση, σε αντίθεση με τον γραφίτη, ο οποίος είναι αδιαφανής.

Οι επιστήμονες έχουν επίσης συνθέσει άλλα αλλοτρόπα άνθρακα, όπως φουλλερένια, νανοαφώματα άνθρακα και άλλα. Διαθέτουν ειδικές ιδιότητες και αποτελούν μια ανθισμένη περιοχή έρευνας στο νανοϋλικά. Τα φουλλερένια είναι μια ομάδα κοίλων μορίων άνθρακα σε κλειστό κλουβί (buckyball) ή κυλινδρικό (νανοσωλήνες άνθρακα).

•••Δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας το ChemDraw

Το Γ₆₀ Το buckyball ανακαλύφθηκε από τους Sir Harold Kroto, Richard Smalley και Robert Curl Jr., χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ για την εξάτμιση των ράβδων γραφίτη σε μια ατμόσφαιρα ηλίου. Τα άτομα άνθρακα ενώνονται μεταξύ τους με απλούς και διπλούς δεσμούς για να σχηματίσουν 12 πενταγωνικές και 20 εξαγωνικές όψεις σε σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Οι πρωτοποριακές προσπάθειές τους τους κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 1996.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, που είναι επιμήκεις εκδόσεις buckyballs, ταυτοποιήθηκαν από τον Iijima Sumio. Είναι εξαιρετικοί αγωγοί θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας και είναι χρήσιμοι για ηλεκτρονικά.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα επιδεικνύουν επίσης εντυπωσιακή αντοχή εφελκυσμού και έχουν συναρπαστικές εφαρμογές σε δομικά υλικά και φάρμακα. Ωστόσο, η ελεγχόμενη σύνθεση τέτοιων νανοϋλικών έχει δημιουργήσει μια μεγάλη πρόκληση για τους επιστήμονες.

Ο άνθρακας αποτελεί τη βάση της ζωής στη Γη, με εκατομμύρια ενώσεις που περιέχουν άνθρακα που αποτελούν το 18 τοις εκατό όλων των ζωντανών όντων. Μπορεί να σχηματίσει σταθερούς, ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα άτομα και να εμφανίζεται ως μακρές αλυσίδες ή δακτύλιοι ισχυρών διασυνδεόμενων δεσμών άνθρακα-άνθρακα. Αυτά συμβάλλουν στην ποικιλομορφία και την πολυπλοκότητα των ενώσεων άνθρακα που υπάρχουν στη Γη.

Αυτά τα ενώσεις άνθρακα περιλαμβάνουν οργανικά μόρια όπως πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και DNA που βρίσκονται στα κύτταρα ζώντων οργανισμών καθώς και ανόργανες ενώσεις όπως οξείδια του άνθρακα. Η μελέτη των οργανικών μορίων αποτελεί ένα εξειδικευμένο πεδίο που ονομάζεται οργανική χημεία. Ο άνθρακας μπορεί επίσης να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με μέταλλο ως οργανομεταλλικές ενώσεις. Το σίδερο πορφυρίνη, που είναι η θέση δέσμευσης οξυγόνου της αιμοσφαιρίνης, είναι ένα τέτοιο παράδειγμα.

Παρά την αφθονία του στη φύση, ο άνθρακας είναι σχετικά μη αντιδραστικός υπό κανονικές συνθήκες. Σε κανονική θερμοκρασία, δεν αντιδρά στα οξέα (θειικό οξύ ή υδροχλωρικό οξύ) ή αλκάλια. Είναι επίσης σταθερό στην οξείδωση σε αυτή τη θερμοκρασία. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ωστόσο, ο άνθρακας μπορεί να αντιδράσει με οξυγόνο για να σχηματίσει οξείδια του άνθρακα (CO₂ και CO), με αέριο θείου για σχηματισμό δισουλφιδίου άνθρακα και με πυρίτιο για σχηματισμό καρβιδίων.

Υπάρχουν 15 γνωστά ισότοπα άνθρακα, εκ των οποίων ο άνθρακας-12 (98,93 τοις εκατό του φυσικού άνθρακα) και ο άνθρακας-13 (1,07 τοις εκατό) είναι τα δύο σταθερά ισότοπα. Το Carbon-14 είναι το μεγαλύτερο ισότοπο με τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, με χρόνο ημιζωής 5.730 ετών. Το μικρότερο ισότοπο άνθρακα είναι ο άνθρακας-8 και έχει χρόνο ημιζωής 1,98739 x 10⁻²¹ δευτερόλεπτα.

Ο ισότοπος άνθρακας-14 αντιπροσωπεύεται από ¹⁴₆C, όπου το προεγγραφο 14 είναι η ατομική μάζα και το προεγγραφο 6 είναι ο ατομικός αριθμός. Το Carbon-14 έχει πολύ χαμηλή φυσική αφθονία (0,0000000001 τοις εκατό), αλλά η μεγάλη ημιζωή του το καθιστά χρήσιμο για ραδιομετρική χρονολόγηση.

Ο άνθρακας-14 σχηματίζεται όταν το άζωτο-14 αντιδρά με νετρόνια από την κοσμική ακτινοβολία, απελευθερώνοντας ένα πρωτόνιο σε αυτήν τη διαδικασία. Ο άνθρακας-14 στη συνέχεια αντιδρά με οξυγόνο για παραγωγή ¹⁴CO₂, το οποίο κατανέμεται ομοιόμορφα στην ατμόσφαιρα με ¹²CO_2.

¹⁴₇Ν + ¹₀ν> ¹⁴₆Γ + ¹₁Π

Ο κύκλος του άνθρακα ξεκινά όταν ζωντανοί οργανισμοί μετατρέπουν διοξείδιο του άνθρακα (¹⁴CO₂ και ¹²CO₂ από την ατμόσφαιρα) σε οργανικές ενώσεις με φωτοσύνθεση και απελευθερώστε την πίσω στην ατμόσφαιρα με αναπνοή. Σε αυτήν την ισορροπία, υπάρχει μια σταθερή αναλογία ¹⁴CO₂ και ¹²CO₂ στους οργανισμούς. Ωστόσο, όταν πεθάνουν, η ισορροπία σταματά και ο άνθρακας-14 υποβάλλεται σε βήτα αποσύνθεση στο άζωτο-14 σύμφωνα με τον χρόνο ημιζωής των 5.730 ετών.

¹⁴₆Γ> ¹⁴₇Ν + ⁰_-1μι

Η μέτρηση της σχετικής αναλογίας άνθρακα-14 σε ένα νεκρό δείγμα επιτρέπει έτσι τον υπολογισμό του χρόνου που έχει παρέλθει μετά το θάνατό του. Αυτή η μέθοδος ραντεβού με ραβάνθρακα έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη χρονολόγηση απολιθωμάτων και αρχαιολογικών δειγμάτων ηλικίας από 500 έως 50.000 ετών.

Το Carbon-13 είναι ένα άλλο ισότοπο που χρησιμοποιείται εκτενώς σε πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) για τον προσδιορισμό μοριακών δομών οργανικών ενώσεων. Χρησιμοποιείται επίσης ως εργαλείο επισήμανσης σε συνδυασμό με φασματόμετρο μάζας για ιατρική έρευνα.

Ο άνθρακας παρουσιάζει επίσης χρήσιμες μηχανικές ιδιότητες, εκτός από τις φυσικές, χημικές και πυρηνικές του ιδιότητες.

Μπορεί να σχηματιστεί κράματα με χάλυβα σε ανθρακούχο χάλυβα, εκ των οποίων η περιεκτικότητα σε άνθρακα κυμαίνεται από 0,05 έως 2 τοις εκατό κατά βάρος. Ο χάλυβας μεσαίου άνθρακα (0,3-0,6% άνθρακας) έχει ισορροπημένη αντοχή και ολκιμότητα, καθώς και εξαιρετική αντοχή σε εφελκυσμό. Μέσω μιας διαδικασίας θερμικής επεξεργασίας, ο χάλυβας εξαιρετικά υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (1,25% άνθρακα) μπορεί να σκληρυνθεί σε μεγάλη σκληρότητα και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μαχαιριών.

Οι ίνες άνθρακα, οι οποίες έχουν ίνες πάχους 5 έως 10 μm, αποτελούμενες κυρίως από άτομα άνθρακα, παρουσιάζουν υψηλή ένταση ακαμψία, αντοχή σε εφελκυσμό, χημική αντίσταση, ανοχή θερμοκρασίας και χαμηλό βάρος και θερμική επέκταση. Η αντοχή απόδοσης του χάλυβα εξαρτάται από την ποιότητά του και ο ήπιος χάλυβας έχει αντοχή απόδοσης 247 MPa. Οι ίνες άνθρακα έχουν αντοχές εφελκυσμού που κυμαίνονται από 1.600 έως 6.370 MPa και επομένως είναι δημοφιλείς στον τομέα της αεροδιαστημικής, της πολιτικής μηχανικής και Αθλητισμός.

Όταν ασκείται πίεση σε ένα υλικό, αρχικά παραμορφώνεται ελαστικά. Σε αυτό το στάδιο, μπορεί να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα όταν αφαιρεθεί το άγχος. Αντοχή διαρροής ορίζεται ως το άγχος που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς μόνιμη παραμόρφωση.

Όταν φτάσει σε ένα σημείο (ανώτερο σημείο απόδοσης) όπου δεν μπορεί πλέον να επιστρέψει στις αρχικές του διαστάσεις, υφίσταται πλαστική παραμόρφωση, η οποία είναι μόνιμη και μη αναστρέψιμη. Η αντοχή εφελκυσμού είναι η μέγιστη αντοχή που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς να αποτύχει ή να σπάσει.