Hiilen neljä ominaisuutta

Hiili on ei-metallinen alkuaine, jonka kemiallinen symboli on C. Se on maailmankaikkeuden neljänneksi suurin osa ja maankuoren 15. yleisimpiä elementtejä. Se on myös ihmisen toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen. Sen kemiallinen koostumus johtaa moniin ainutlaatuisiin hiilen ominaisuuksiin.

Hiili kuuluu jaksollisen järjestelmän ryhmään 14. Sen atomiluku on 6 ja sen atomipaino on 12 011. Hiilen hapetustilat voivat vaihdella välillä -4 - +4, missä +4 esiintyy yhdisteissä, kuten metaanissa ja hiilidisulfidissa, ja +2 hiilimonoksidissa.

Eri hiilialotrooppien fysikaaliset ominaisuudet tekevät niistä hyödyllisiä paristoissa, elektroniikassa ja nanomateriaaleissa. Hiili on myös "alkuaineiden kuningas", joka muodostaa melkein 10 miljoonaa yhdistettä mukaan lukien orgaaniset, epäorgaaniset ja organometalliset yhdisteet.

Hiilen isotooppeja käytetään laajalti radiohiilikuittaukseen (hiili-14), molekyylirakenteeseen ja lääketieteelliseen tutkimukseen (hiili-13). Lisäksi hiilikuiduilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja ne ovat suosittuja ilmailu- ja vesirakentamisessa.

Hiilellä on erilainen allotrooppiset muodot, joilla on erilaiset molekyylikokoonpanot ja atomirakenteet. Hiilen fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat suuresti kunkin allotrooppin mukaan. Jotkut tunnetuimmista hiilen allotroobeista ovat grafiitti, timantti ja fullereenit.

Grafiitti on yksi pehmeimmistä tunnetuista materiaaleista, ja sitä käytetään lyijykynissä ja kiinteänä voiteluaineena. Se on myös hyvä sähkönjohdin, joten se on hyödyllinen paristoissa ja aurinkopaneeleissa.

Grafeeni on yksinkertaisesti yksi atomikerros grafiittia, joka on järjestetty kennoristikkoon. Grafeenikerroksessa kukin hiiliatomi on sitoutunut kovalenttisesti kolmeen muuhun atomiin, jolloin neljäs elektroni voi liikkua vapaasti tasossa, joten sen sähkönjohtavuus.

Timantti on päinvastoin vaikein luonnossa esiintyvä aine ja yksi hiilen ainutlaatuisista ominaisuuksista. Siinä on melkein kaksinkertainen grafiitin tiheys, ja jokainen hiiliatomi on sitoutunut tetraedraalisesti neljään muuhun ilman vapaasti virtaavia elektroneja. Siten timantti on huono sähkönjohdin. Timantti on myös ulkonäöltään selkeä, toisin kuin läpinäkymätön grafiitti.

Tutkijat ovat syntetisoineet myös muita hiilen allotrooppisia aineita, kuten fullereeneja, hiilinanofoameja ja muita. Niillä on erityisominaisuuksia ja ne muodostavat kukkivan tutkimusalueen vuonna nanomateriaalit. Fullereenit ovat ryhmä onttoja hiilimolekyylejä suljetussa häkissä (buckyball) tai sylinterissä (hiilinanoputket).

•••Luotu ChemDraw-sovelluksella

C₆₀ Sir Harold Kroto, Richard Smalley ja Robert Curl Jr. löysivät buckyballin laserilla höyrystämään grafiittisauvoja heliumilmakehässä. Hiiliatomit on liitetty toisiinsa yksi- ja kaksoissidoksilla, jolloin muodostuu 12 viisikulmaista ja 20 kuusikulmaista pintaa jalkapallon muodossa. Heidän uraauurtavat ponnistelunsa antoivat heille Nobel-palkinnon vuonna 1996.

Hiilinanoputket, jotka ovat buckyballien pitkänomaisia ​​versioita, tunnistivat Iijima Sumio. Ne ovat erinomaisia ​​lämmön ja sähkön johtimia ja ovat hyödyllisiä elektroniikassa.

Hiilinanoputket osoittavat myös vaikuttavaa vetolujuutta ja kiinnostavia sovelluksia rakennemateriaaleissa ja lääketieteessä. Tällaisten nanomateriaalien hallittu synteesi on kuitenkin asettanut tutkijoille suuren haasteen.

Hiili on maapallon elämän perusta, ja miljoonat hiiltä sisältävät yhdisteet muodostavat 18 prosenttia kaikesta elävästä. Se voi muodostaa vakaita, kovalenttisia sidoksia muiden atomien kanssa ja esiintyä pitkin ketjuina tai renkaina, joissa on vahvoja toisiinsa kytkeytyviä hiili-hiilisidoksia. Ne lisäävät maapallolla olevien hiiliyhdisteiden monimuotoisuutta ja monimutkaisuutta.

Nämä hiiliyhdisteet "Orgaaniset molekyylit, kuten proteiinit, hiilihydraatit ja DNA, joka löytyy elävien organismien soluista, sekä epäorgaaniset yhdisteet, kuten hiilioksidit. Orgaanisten molekyylien tutkimus on erikoistunut ala, jota kutsutaan orgaaniseksi kemiaksi. Hiili voi myös muodostaa kovalenttisia sidoksia metallin kanssa organometallisina yhdisteinä. Rautaporfyriini, joka on hemoglobiinin happea sitova kohta, on sellainen esimerkki.

Luonnon runsaudestaan ​​huolimatta hiili on suhteellisen reagoimaton normaaleissa olosuhteissa. Vakiolämpötilassa se ei ole reaktiivinen happoja (rikkihappoa tai suolahappoa) tai emäksiä vastaan. Se on myös stabiili hapettumiselle tässä lämpötilassa. Korkeammissa lämpötiloissa hiili voi kuitenkin reagoida hapen kanssa muodostaen hiilioksidia (CO₂ ja CO), rikkikaasun kanssa hiilidisulfidin muodostamiseksi ja piin kanssa karbidien muodostamiseksi.

Hiilen isotooppeja tunnetaan 15, joista hiili-12 (98,93 prosenttia luonnonhiilestä) ja hiili-13 (1,07 prosenttia) ovat kaksi stabiilia isotooppia. Hiili-14 on pisinikäinen isotooppi, jonka puoliintumisaika on 5730 vuotta. Lyhinikäisin hiili-isotooppi on hiili-8, ja sen puoliintumisaika on 1,98739 x 10⁻²¹ sekuntia.

Hiili-14-isotooppia edustaa ¹⁴₆C, jossa esi- alaindeksi 14 on atomimassa ja esi- alaindeksi 6 on atomiluku. Hiili-14: n luonnollinen runsaus on hyvin pieni (0,0000000001 prosenttia), mutta sen pitkä puoliintumisaika tekee siitä hyödyllisen radiometrinen dating.

Hiili-14 muodostuu, kun typpi-14 reagoi kosmisen säteilyn neutronien kanssa, mikä vapauttaa protonia tässä prosessissa. Hiili-14 reagoi sitten hapen kanssa muodostaakseen ¹⁴CO₂, joka on tasaisesti jakautunut ilmakehään ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁s

Hiilenkierto alkaa, kun elävät organismit muuttavat hiilidioksidia (¹⁴CO₂ ja ¹²CO₂ ilmakehästä) orgaanisiksi yhdisteiksi fotosynteesin avulla ja vapauttamalla se takaisin ilmakehään hengittämällä. Tässä tasapainossa on kiinteä suhde ¹⁴CO₂ ja ¹²CO₂ organismeissa. Kuitenkin, kun he kuolevat, tasapaino loppuu, ja hiili-14 läpäisee beeta-hajoamisen typpi-14: ksi sen 5730 vuoden puoliintumisajan mukaan.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Hiili-14: n suhteellisen osuuden mittaaminen kuolleessa näytteessä mahdollistaa siten sen kuoleman jälkeen kuluneen ajan laskemisen. Tätä radiohiilimenetelmää on käytetty laajalti 500–50000 vuoden ikäisten fossiilien ja arkeologisten yksilöiden dating yhteydessä.

Hiili-13 on toinen isotooppi, jota käytetään laajasti monissa sovelluksissa. Esimerkiksi sitä käytetään ydinmagneettisessa resonanssissa (NMR) orgaanisten yhdisteiden molekyylirakenteiden määrittämiseen. Sitä käytetään myös merkintätyökaluna yhdessä massaspektrometrin kanssa lääketieteelliseen tutkimukseen.

Hiilellä on myös hyödyllisiä mekaanisia ominaisuuksia paitsi fysikaaliset, kemialliset ja ydinominaisuudet.

Se voi muodostua seokset teräksestä hiiliteräkseksi, jonka hiilipitoisuus vaihtelee 0,05 - 2 painoprosenttia. Keskihiiliteräksellä (0,3-0,6 prosenttia hiiltä) on tasapainoinen lujuus ja sitkeys sekä erinomainen vetolujuus. Lämpökäsittelyprosessin avulla erittäin korkeahiiliteräs (1,25–2 prosenttia hiiltä) voidaan karkaistaa kovaksi ja käyttää veitsien valmistukseen.

Hiilikuitujen, jotka ovat 5-10 μm paksuja, enimmäkseen hiiliatomeista koostuvia kuituja, on korkea jäykkyys, vetolujuus, kemiallinen kestävyys, lämpötilatoleranssi ja alhainen paino ja lämpö laajentuminen. Teräksen myötölujuus riippuu sen laadusta ja pehmeän teräksen myötölujuus on 247 MPa. Hiilikuiduilla on vetolujuudet vaihtelevat 1600-6370 MPa ja ovat siksi suosittuja ilmailu-, maa- ja vesirakentamisen alalla Urheilu.

Kun materiaaliin kohdistuu rasitusta, se deformoituu aluksi elastisesti. Tässä vaiheessa se voi palata alkuperäiseen muotoonsa, kun jännitys poistetaan. Tuotto voimaa määritellään stressiksi, jonka materiaali kestää ilman pysyvää muodonmuutosta.

Kun se saavuttaa pisteen (ylempi myötöraja), jossa se ei voi enää palata alkuperäisiin mittoihinsa, se käy läpi plastisen muodonmuutoksen, joka on pysyvä ja peruuttamaton. Vetolujuus on suurin lujuus, jonka materiaali voi kestää rikkoutumatta tai rikkoutumatta.