Neli süsiniku omadust

Süsinik on mittemetalliline element, mille keemiline sümbol on C. See on universumi neljandal kohal ja maapõues 15. kõige arvukam element. Samuti on see hapniku järel inimeste seas kõige arvukamalt teine ​​element. Selle keemiline koostis toob kaasa mitu ainulaadset süsiniku omadust.

Süsinik kuulub perioodilisustabeli rühma 14. Selle aatomnumber on 6 ja aatommass 12,011. Süsiniku oksüdatsiooniastmed võivad varieeruda vahemikus -4 kuni +4, kus +4 esineb ühendites nagu metaan ja süsinikdisulfiid ning +2 süsinikmonooksiidi korral.

Erinevate süsinikuallotroopsete füüsikaliste omaduste tõttu on need kasulikud patareides, elektroonikas ja nanomaterjalides. Süsinik on ka elementide kuningas, moodustades peaaegu 10 miljonit ühendit orgaanilised, anorgaanilised ja metallorgaanilised ühendid.

Süsiniku isotoope kasutatakse laialdaselt radiosüsiniku dateerimiseks (süsinik-14), molekulaarstruktuuriks ja meditsiinilisteks uuringuteks (süsinik-13). Lisaks näitavad süsinikkiud suurepäraseid mehaanilisi omadusi ning on populaarsed lennunduses ja tsiviilehituses.

Süsinikul on erinev allotroopsed vormid, millel on erinevad molekulaarsed konfiguratsioonid ja aatomistruktuurid. Süsiniku füüsikalised omadused varieeruvad suuresti iga allotroobi korral. Mõned kõige tuntumad süsiniku allotroopid hõlmavad grafiiti, teemante ja fullereene.

Grafiit on üks pehmemaid teadaolevaid materjale ja seda kasutatakse pliiatsites ja tahke määrdeainena. See on ka hea elektrijuht, mistõttu on see kasulik patareides ja päikesepaneelides.

Grafeen on lihtsalt üks kärgvõre sisse paigutatud grafiidi aatomkiht. Grafeenikihis on iga süsinikuaatom seotud kovalentselt kolme teise aatomiga, jättes neljandale elektronile vabaduse liikuda tasapinnas, seega ka selle elektrijuhtivus.

Teemant on vastupidi looduslikult kõige raskem aine ja see on üks süsiniku ainulaadseid omadusi. Sellel on grafiidi tihedus peaaegu kaks korda suurem ja iga süsinikuaatom on tetraeedriliselt seotud nelja teisega, ilma vabalt voolavate elektronideta. Seega on teemant halb elektrijuht. Teemant on ka välimuselt selge, erinevalt grafiidist, mis on läbipaistmatu.

Teadlased on sünteesinud ka muid süsiniku allotroobe, nagu fullereenid, süsinik-nanovahud jt. Neil on erilised omadused ja nad moodustavad õitsva uurimisala nanomaterjalid. Fullereenid on õõnesmolekulide rühm suletud puuri (buckyball) või silindri (süsinik nanotorud) konformatsioonis.

•••Loodud ChemDraw abil

C₆₀ kübarpalli avastasid Sir Harold Kroto, Richard Smalley ja Robert Curl Jr, kasutades laseri abil heeliumi atmosfääris grafiitvardasid. Süsiniku aatomid on ühendatud ühe- ja kaksiksidemetega, moodustades 12 viisnurkse ja 20 kuusnurkse näo, mis on jalgpallikujulised. Nende teerajajad püüdsid 1996. aastal saada Nobeli preemia.

Süsiniknanotorud, mis on pikapallide versioonid, tuvastas Iijima Sumio. Need on suurepärased soojus- ja elektrijuhid ning on kasulikud elektroonika jaoks.

Süsinik nanotorud demonstreerivad ka muljetavaldavat tõmbetugevust ja põnevaid rakendusi struktuurimaterjalides ja meditsiinis. Selliste nanomaterjalide kontrollitud süntees on teadlastele aga suure väljakutse esitanud.

Süsinik on Maa elu alus, miljonid süsinikku sisaldavad ühendid moodustavad 18 protsenti kogu elusolendist. See võib moodustada stabiilseid, kovalentseid sidemeid teiste aatomitega ja ilmuda tugevate omavahel seotud süsinik-süsinik sidemete pikkade ahelatena või rõngastena. Need aitavad kaasa Maal eksisteerivate süsinikuühendite mitmekesisusele ja keerukusele.

Need süsinikuühendid Siia kuuluvad orgaanilised molekulid nagu valgud, süsivesikud ja DNA, mida leidub elusorganismide rakkudes, samuti anorgaanilised ühendid nagu süsinikoksiidid. Orgaaniliste molekulide uurimine on spetsialiseeritud valdkond, mida nimetatakse orgaaniliseks keemiaks. Süsinik võib metallorgaaniliste ühenditena moodustada ka kovalentseid sidemeid metalliga. Selliseks näiteks on raud-porfüriin, mis on hemoglobiini hapnikku siduv koht.

Vaatamata looduse rohkusele on süsinik tavapärastes tingimustes suhteliselt reageerimata. Standardtemperatuuril ei reageeri see hapete (väävelhappe või vesinikkloriidhappe) ega leeliste suhtes. Sellel temperatuuril on see ka oksüdatsiooni suhtes stabiilne. Kõrgemal temperatuuril võib süsinik aga reageerida hapnikuga, moodustades süsinikoksiidid (CO₂ ja CO) gaasilise väävli abil süsinikdisulfiidi moodustamiseks ja räni abil karbiidide moodustamiseks.

Tuntud on 15 süsiniku isotoopi, millest süsinik-12 (98,93 protsenti looduslikust süsinikust) ja süsinik-13 (1,07 protsenti) on kaks stabiilset isotoopi. Süsinik-14 on kõige pikema elueaga isotoob, poolväärtusajaga 5730 aastat. Lühima elueaga süsiniku isotoob on süsinik-8 ja selle poolestusaeg on 1,98739 x 10⁻²¹ sekundit.

Süsinik-14 isotoopi tähistab ¹⁴₆C, kus eelindeks 14 on aatomimass ja eelindeks 6 on aatominumber. Süsinik-14 looduslik arvukus on väga madal (0,0000000001 protsenti), kuid selle pika poolväärtusajaga on see kasulik radiomeetriline dateerimine.

Süsinik-14 tekib siis, kui lämmastik-14 reageerib kosmilise kiirguse neutronitega, vabastades selles protsessis prootoni. Seejärel reageerib süsinik-14 tekitamiseks hapnikuga ¹⁴CO₂, mis jaotub atmosfääris ühtlaselt koos ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁lk

Süsinikuringe algab siis, kui elusorganismid muundavad süsinikdioksiidi (¹⁴CO₂ ja ¹²CO₂ atmosfäärist) fotosünteesi teel orgaanilisteks ühenditeks ja vabastab selle hingamise kaudu atmosfääri tagasi. Selles tasakaalus on fikseeritud suhe ¹⁴CO₂ ja ¹²CO₂ organismides. Kuid nende surma korral tasakaal peatub ja süsinik-14 läbib beeta lagunemise lämmastik-14-ni vastavalt selle 5730-aastasele poolväärtusajale.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Süsinik-14 suhtelise osa mõõtmine surnud proovis võimaldab seega arvutada pärast selle surma kulunud aega. Seda radiosüsiniku dateerimise meetodit on laialdaselt kasutatud 500–50 000 aasta vanuste fossiilide ja arheoloogiliste proovide dateerimiseks.

Süsinik-13 on veel üks isotoop, mida kasutatakse paljudes rakendustes laialdaselt. Näiteks kasutatakse seda tuumamagnetresonantsis (NMR) orgaaniliste ühendite molekulaarstruktuuride määramiseks. Seda kasutatakse ka meditsiiniliste uuringute jaoks märgistamisvahendina koos massispektromeetriga.

Süsinikul on lisaks kasulikele mehaanilistele omadustele ka füüsikalised, keemilised ja tuumaomadused.

See võib moodustada sulamid terasest süsinikteraseks, mille süsinikusisaldus varieerub 0,05 kuni 2 massiprotsenti. Keskmise süsinikusisaldusega terasel (0,3–0,6 protsenti süsinikku) on tasakaalustatud tugevus ja nõtkus, samuti suurepärane tõmbetugevus. Kuumtöötlemisprotsessi abil saab ülisuure süsinikusisaldusega terast (1,25–2 protsenti süsinikku) karastada suure kõvaduseni ja kasutada noade valmistamiseks.

Süsinikkiud, mille paksus on 5–10 μm ja mis koosnevad peamiselt süsinikuaatomitest, on kõrge jäikus, tõmbetugevus, keemiline vastupidavus, temperatuuritaluvus ja väike kaal ning termiline laienemine. Terase voolavuspiir sõltub selle klassist ja pehme terase voolavuspiir on 247 MPa. Süsinikkiud on tõmbetugevus vahemikus 1600–6 370 MPa ja on seetõttu populaarne lennunduse, tsiviilehituse ja sport.

Kui materjalile avaldatakse pinget, deformeerub see esialgu elastselt. Selles etapis võib pinge eemaldamisel taastada oma esialgse kuju. Saagikus tugevus on määratletud kui pinge, mida materjal talub ilma püsiva deformatsioonita.

Kui see jõuab punkti (ülemine voolupunkt), kus ta ei saa enam oma esialgseid mõõtmeid naasta, läbib see plastilise deformatsiooni, mis on püsiv ja pöördumatu. Tõmbetugevus on maksimaalne tugevus, mida materjal talub ilma rikke või purunemiseta.