פחמן הוא יסוד לא מתכתי עם סמל כימי של C. זהו היסוד הרביעי בשכיחותו ביקום, והיסוד ה -15 בשפע בקרום כדור הארץ. זהו גם היסוד השני בשכיחותו בבני אדם אחרי חמצן. ההרכב הכימי שלה מוביל למספר תכונות ייחודיות של פחמן.
פחמן שייך לקבוצה 14 בטבלה המחזורית. מספר האטום שלו הוא 6 ויש לו משקל אטומי של 12.011. מצבי החמצון של פחמן יכולים להשתנות בין -4 ל -4, כאשר +4 קיים בתרכובות כגון מתאן ופחמן דו-גופרתי, ו -2 עבור פחמן חד-חמצני.
התכונות הפיזיקליות של אלוטרופי פחמן שונים הופכות אותם לשימושים בסוללות, אלקטרוניקה וננו-חומרים. פחמן הוא גם "מלך היסודות", ויוצר כמעט 10 מיליון תרכובות עד היום כולל תרכובות אורגניות, אורגניות ואורגנומטליות.
באיזוטופים של פחמן נעשה שימוש נרחב לתארוך פחמן רדיואלי (פחמן -14), מבנה מולקולרי ומחקר רפואי (פחמן -13). בנוסף, סיבי פחמן מציגים תכונות מכניות מצוינות והם פופולריים בתחום האווירונאוטיקה והחלל.
אלוטרופיים של פחמן
לפחמן יש שונה צורות אלוטרופיות, עם תצורות מולקולריות מגוונות ומבנים אטומיים. התכונות הפיזיקליות של פחמן משתנות מאוד עם כל אלוטרופ. חלק מאלוטרופי הפחמן המוכרים ביותר כוללים גרפיט, יהלום ופולרנים.
גרפיט הוא אחד החומרים הרכים הידועים ביותר ומשמש בעפרונות וכחומר סיכה מוצק. זה גם מוליך טוב של חשמל, מה שהופך אותו שימושי בסוללות ופאנלים סולאריים.
גרפן הוא פשוט שכבה אטומית אחת של גרפיט המסודרת בסריג חלת דבש. בשכבת גרפן, כל אטום פחמן נקשר קוולנטית לשלושה אטומים אחרים, ומשאיר את האלקטרון הרביעי חופשי לנדוד במישור, ומכאן מוליכותו החשמלית.
להיפך, היהלום הוא החומר הקשה ביותר הטבעי והוא אחד התכונות הייחודיות של פחמן. יש לו כמעט כפליים מהצפיפות של גרפיט, וכל אטום פחמן נקשר באופן טטראדרי לארבעה אחרים ללא אלקטרונים זורמים חופשי. לפיכך יהלום הוא מוליך גרוע של חשמל. היהלום ברור גם למראהו, בניגוד לגרפיט שהוא אטום.
מדענים סינתזו גם אלוטרופים אחרים של פחמן, כגון פולרנים, ננו-קצף פחמן ואחרים. הם בעלי תכונות מיוחדות ומהווים אזור פורח של מחקר ב חומרי ננו. פולרנים הם קבוצה של מולקולות פחמן חלולות בקונפורמציה של כלוב סגור (כדור כדור) או גליל (צינורות פחמן).
•••נוצר באמצעות ChemDraw
ה- C60 כדור הבאקי התגלה על ידי סר הרולד קרוטו, ריצ'רד סמלי ורוברט קרל ג'וניור, באמצעות לייזר לאידוי מוטות גרפיט באווירת הליום. אטומי הפחמן מחוברים יחד על ידי קשרים בודדים וכפולים ליצירת 12 פרצופים מחומשים ו -20 משושים בצורה של כדורגל. מאמציהם החלוציים זיכו אותם בפרס נובל בשנת 1996.
צינורות פחמן, שהם גרסאות מוארכות של כדורי באקי, זוהו על ידי אייג'ימה סומיו. הם מוליכים מעולים של חום וחשמל ושימושיים לאלקטרוניקה.
צינורות פחמן גם מפגינים חוזק מתיחה מרשים ויש להם יישומים מרגשים בחומרים מבניים וברפואה. עם זאת, הסינתזה המבוקרת של חומרי ננו כאלה הציבה אתגר גדול בפני המדענים.
תגובתיות כימית של פחמן
פחמן מהווה את בסיס החיים על פני כדור הארץ, כאשר מיליוני תרכובות המכילות פחמן מהוות 18 אחוז מכלל היצורים החיים. הוא יכול ליצור קשרים יציבים וקוולנטיים עם אטומים אחרים ולהופיע כשרשראות ארוכות או טבעות של קשרים חזקים בין פחמן לפחמן. אלה תורמים למגוון ולמורכבות של תרכובות פחמן הקיימות על פני כדור הארץ.
אלה תרכובות פחמן כוללים מולקולות אורגניות כגון חלבונים, פחמימות ו- DNA שנמצאות בתאים של אורגניזמים חיים וכן תרכובות אנאורגניות כמו תחמוצות פחמן. חקר המולקולות האורגניות מהווה תחום מיוחד הנקרא כימיה אורגנית. פחמן יכול גם ליצור קשרים קוולנטיים עם מתכת כתרכובות אורגנו-מתכתיות. פורפירין ברזל, שהוא אתר המחייב חמצן של המוגלובין, הוא דוגמה כזו.
למרות שפע הטבע שלו, הפחמן אינו מגיב יחסית בתנאים רגילים. בטמפרטורה סטנדרטית, הוא אינו מגיב כלפי חומצות (חומצה גופרתית או חומצה הידרוכלורית) או אלקליות. זה גם יציב לחמצון בטמפרטורה זו. אולם בטמפרטורות גבוהות יותר, פחמן יכול להגיב עם חמצן ליצירת תחמוצות פחמן (CO2 ו- CO), עם גז גופרית ליצירת פחמן דו-גופרתי ועם סיליקון ליצירת קרבידים.
איזוטופים של פחמן
ישנם 15 איזוטופים ידועים של פחמן, מתוכם פחמן -12 (98.93 אחוזים מפחמן טבעי) ופחמן -13 (1.07 אחוזים) הם שני האיזוטופים היציבים. פחמן 14 הוא האיזוטופ הארוך ביותר, עם מחצית חיים של 5,730 שנים. איזוטופ הפחמן הקצר ביותר הוא פחמן 8 ויש לו מחצית חיים של 1.98739 x 10−21 שניות.
האיזוטופ פחמן 14 מיוצג על ידי 146C, כאשר כתב העת הקדמי 14 הוא המסה האטומית והכתב הקדמי 6 הוא המספר האטומי. לפחמן 14 יש שפע טבעי נמוך מאוד (0.0000000001 אחוזים), אך מחצית החיים הארוכה שלו הופכת אותו לשימוש היכרויות רדיומטריות.
פחמן 14 נוצר כאשר חנקן 14 מגיב עם נויטרונים מקרינה קוסמית, ומשחרר פרוטון בתהליך זה. פחמן 14 ואז מגיב עם חמצן לייצור 14שיתוף2, המופץ באופן שווה באווירה עם 12שיתוף2.
147N + 10n> 146C + 11עמ '
מחזור הפחמן מתחיל כאשר אורגניזמים חיים ממירים פחמן דו חמצני (14שיתוף2 ו 12שיתוף2 מהאטמוספרה) לתרכובות אורגניות על ידי פוטוסינתזה ומשחררים אותה חזרה לאטמוספירה באמצעות נשימה. בשיווי משקל זה קיים יחס קבוע של 14שיתוף2 ו 12שיתוף2 באורגניזמים. אולם כאשר הם מתים, שיווי המשקל נעצר, והפחמן 14 עובר ריקבון בטא לחנקן 14 על פי מחצית החיים של 5,730 שנה.
146C> 147N + 0-1ה
מדידת היחס היחסי של פחמן 14 בדגימה מתה מאפשרת לכן חישוב הזמן שחלף לאחר מותו. שיטה זו של תיארוך רדיוא-פחמן הייתה בשימוש נרחב לתארוך מאובנים ודגימות ארכיאולוגיות בני 500 עד 50,000 שנה.
פחמן 13 הוא איזוטופ נוסף המשמש בהרחבה ביישומים רבים. לדוגמה, הוא משמש בתהודה מגנטית גרעינית (NMR) לקביעת מבנים מולקולריים של תרכובות אורגניות. הוא משמש גם ככלי תיוג בשילוב עם ספקטרומטר מסה למחקר רפואי.
תכונות מכניות של סיבי פחמן
פחמן מציג גם תכונות מכניות שימושיות, למעט תכונותיו הפיזיקליות, הכימיות והגרעיניות.
זה יכול להיווצר סגסוגות עם פלדה לפלדת פחמן, שתכולת הפחמן שלה נעה בין 0.05 ל -2 אחוזים לפי משקל. פלדה בינונית מפחמן (0.3-0.6 אחוז פחמן) הינה בעלת חוזק משיכות מאוזן, כמו גם חוזק מתיחה מעולה. באמצעות תהליך של טיפול בחום, ניתן למתן פלדה פחמן גבוהה במיוחד (1.25-2 אחוז פחמן) לקשיות רבה ולהשתמש בה לייצור סכינים.
סיבי פחמן, שהם סיבים בעובי 5 עד 10 מיקרומטר המורכבים בעיקר מאטומי פחמן, מפגינים גבוהה נוקשות, חוזק מתיחה, עמידות כימית, סובלנות לטמפרטורה ומשקל נמוך ותרמי הַרחָבָה. חוזק התשואה של הפלדה תלוי בדרגתו ופלדה עדינה בעלת חוזק תפוקה של 247 מגה פיקסל. יש לסיבי פחמן חוזק מתיחה נע בין 1,600 ל -6,370 מגה פיקסל ולכן הם פופולאריים בתחום החלל, ההנדסה האזרחית ו ספורט.
כאשר מפעילים מתח על חומר, הוא מעוות בהתחלה. בשלב זה הוא יכול לחזור לצורתו המקורית עם הסרת המתח. כוח תשואה מוגדר כמתח שחומר יכול לעמוד בו ללא עיוות קבוע.
כאשר הוא מגיע לנקודה (נקודת התשואה העליונה) בו הוא כבר לא יכול לחזור למימדיו המקוריים, הוא עובר דפורמציה פלסטית, שהיא קבועה ובלתי הפיכה. חוזק מתיחה הוא הכוח המרבי שחומר יכול לעמוד בו בלי להיכשל או להישבר.