ნახშირბადი არის არალითონური ელემენტი, რომლის ქიმიური სიმბოლოა C. ეს არის ყველაზე მეოთხე ელემენტი სამყაროში და მე -15 ყველაზე დიდი ელემენტია დედამიწის ქერქში. ეს ასევე მეორეა ყველაზე მდიდარ ელემენტად ადამიანებში ჟანგბადის შემდეგ. მისი ქიმიური შემადგენლობა იწვევს ნახშირბადის რამდენიმე უნიკალურ თვისებას.
ნახშირბადი ეკუთვნის პერიოდული ცხრილის 14 ჯგუფს. მისი ატომური ნომერია 6 და მისი ატომური წონაა 12.011. ნახშირბადის დაჟანგვის მდგომარეობა შეიძლება იცვლებოდეს -4-დან +4-მდე, სადაც +4 არსებობს ნაერთებში, როგორიცაა მეთანი და ნახშირბადის დისულფიდი, და +2 ნახშირბადის მონოქსიდი.
ნახშირბადის სხვადასხვა ალოტროპების ფიზიკური თვისებები მათ სასარგებლოა კვების ელემენტებში, ელექტრონიკაში და ნანომასალებში. ნახშირბადი ასევე არის "ელემენტების მეფე", რომელიც თითქმის ქმნის 10 მილიონი ნაერთი დღემდე ორგანული, არაორგანული და ორგანომეტალური ნაერთების ჩათვლით.
ნახშირბადის იზოტოპები ფართოდ გამოიყენება რადიოკარბონის დათარიღებისთვის (ნახშირბადი -14), მოლეკულური სტრუქტურა და სამედიცინო გამოკვლევები (ნახშირბადი -13). გარდა ამისა, ნახშირბადის ბოჭკოები აჩვენებს შესანიშნავ მექანიკურ თვისებებს და პოპულარულია კოსმოსურ და სამოქალაქო ინჟინერიაში.
ნახშირბადის ალოტროპები
ნახშირბადს განსხვავებული აქვს ალოტროპული ფორმები, მრავალფეროვანი მოლეკულური კონფიგურაციებით და ატომური სტრუქტურებით. ნახშირბადის ფიზიკური თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება თითოეული ალოტროპისგან. ნახშირბადის ზოგიერთი ყველაზე ცნობილი ალოტროპია გრაფიტი, ალმასი და ფულერენები.
გრაფიტი ერთ-ერთი ყველაზე რბილი მასალაა და გამოიყენება ფანქრებში და მყარი საპოხი მასალის სახით. ეს ასევე არის ელექტროენერგიის კარგი გამტარი, რაც მას ბატარეებსა და მზის პანელებში იყენებს.
გრაფენი არის გრაფიტის ერთი ატომური ფენა, რომელიც განლაგებულია თაფლის ქსელში. გრაფენის ფენაში, ნახშირბადის თითოეული ატომი კოვალენტურად არის დაკავშირებული სამ სხვა ატომთან, რის გამოც მეოთხე ელექტრონს თავისუფლად შეუძლია მიგრაცია თვითმფრინავში, აქედან გამომდინარეობს მისი ელექტროგამტარობა.
ალმასი, პირიქით, ბუნებაში ყველაზე რთული ნივთიერებაა და ნახშირბადის ერთ-ერთი უნიკალური თვისებაა. მას აქვს გრაფიტის სიმჭიდროვე თითქმის ორჯერ და თითოეული ნახშირბადის ატომი უკავშირდება ტეტრაჰედრალურ ოთხ სხვას, თავისუფალი ელექტრონების გარეშე. ამრიგად, ალმასი ელექტროენერგიის ცუდი გამტარია. ბრილიანტი ასევე აშკარად გამოიყურება გარეგნულად, განსხვავებით გრაფიტისგან, რომელიც გაუმჭვირვალეა.
მეცნიერებმა ასევე მოახდინეს ნახშირბადის სხვა ალოტროპების სინთეზი, როგორიცაა ფულერენები, ნახშირბადის ნანოფაოები და სხვა. მათ აქვთ განსაკუთრებული თვისებები და წარმოადგენენ აყვავებული კვლევის ადგილს ნანომასალები. Fullerenes არის ნახშირბადის ნახშირბადის მოლეკულების ჯგუფი დახურულ გალიაში (buckyball) ან ცილინდრში (ნახშირბადის ნანომილაკები) კონფორმაციაში.
•••შეიქმნა ChemDraw– ის გამოყენებით
C60 buckyball აღმოაჩინეს სერ ჰაროლდ კროტომ, რიჩარდ სმალიმ და რობერტ კერლ უმცროსმა ლაზერის გამოყენებით ჰელიუმის ატმოსფეროში გრაფიტის წნელების აორთქლების მიზნით. ნახშირბადის ატომები გაერთიანებულია ერთი და ორმაგი ბმებით და ქმნის 12 ხუთკუთხედ და 20 ექვსკუთხა სახეს ფეხბურთის ბურთის ფორმაში. მათ პიონერულმა ძალისხმევამ 1996 წელს ნობელის პრემია მოიპოვა.
ნახშირბადის ნანომილაკები, რომლებიც ბუკის ბურთების მოგრძო ვერსიაა, განისაზღვრა Iijima Sumio– ს მიერ. ისინი სითბოს და ელექტროენერგიის შესანიშნავი გამტარია და სასარგებლოა ელექტრონიკისთვის.
ნახშირბადის ნანომილაკები ასევე ავლენენ შთამბეჭდავ გაჭიმვის სიძლიერეს და აქვთ საინტერესო გამოყენება სტრუქტურულ მასალებსა და მედიცინაში. ამასთან, ასეთი ნანომასალების კონტროლირებადმა სინთეზმა დიდი გამოწვევა შეუქმნა მეცნიერებს.
ნახშირბადის ქიმიური რეაქტიულობა
ნახშირბადი ქმნის დედამიწაზე ცხოვრების საფუძველს, მილიონობით ნახშირბადის შემცველი ნაერთები შეადგენს ყველა ცოცხალი არსების 18 პროცენტს. მას შეუძლია შექმნას სტაბილური, კოვალენტური ბმა სხვა ატომებთან და გამოჩნდეს როგორც გრძელი ჯაჭვები ან ძლიერი ურთიერთდაკავშირებული ნახშირბად-ნახშირბადოვანი ობლიგაციები. ეს ხელს უწყობს დედამიწაზე არსებული ნახშირბადის ნაერთების მრავალფეროვნებას და სირთულეს.
ესენი ნახშირბადის ნაერთები მოიცავს ორგანულ მოლეკულებს, როგორიცაა ცილები, ნახშირწყლები და დნმ, რომლებიც გვხვდება ცოცხალი ორგანიზმების უჯრედებში, აგრეთვე არაორგანული ნაერთები, როგორიცაა ნახშირბადის ოქსიდები. ორგანული მოლეკულების შესწავლა წარმოადგენს სპეციალურ დარგს, რომელსაც ორგანული ქიმია ეწოდება. ნახშირბადს ასევე შეუძლია შექმნას კოვალენტური ბმები ლითონთან, როგორც ორგანომეტალური ნაერთები. რკინის პორფირინი, რომელიც ჰემოგლობინის ჟანგბადით სავალდებულო ადგილია, ასეთი მაგალითია.
ბუნებაში სიმრავლის მიუხედავად, ნახშირბადი შედარებით არააქტიურია ნორმალურ პირობებში. სტანდარტული ტემპერატურის დროს ის არ არის რეაქტიული მჟავების მიმართ (გოგირდმჟავა ან მარილმჟავა) ან ტუტეების მიმართ. იგი ასევე სტაბილურია დაჟანგვისთვის ამ ტემპერატურაზე. უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, ნახშირბადს შეუძლია რეაგირება მოახდინოს ჟანგბადთან და წარმოქმნას ნახშირბადის ოქსიდები (CO2 და CO), გოგირდის გაზთან წარმოქმნის ნახშირბადის დისულფიდს და სილიციუმს ქმნის კარბიდებს.
ნახშირბადის იზოტოპები
ნახშირბადის 15 იზოტოპია ცნობილი, საიდანაც ნახშირბადი -12 (ბუნებრივი ნახშირბადის 98,93 პროცენტი) და ნახშირბადი -13 (1,07 პროცენტი) ორი სტაბილური იზოტოპია. ნახშირბადი -14 ყველაზე გრძელი სიცოცხლის იზოტოპია, მისი ნახევარგამოყოფის პერიოდი 5,730 წელია. ყველაზე ხანმოკლე ნახშირბადის იზოტოპია ნახშირბად -8, ხოლო მისი ნახევარგამოყოფის პერიოდი 1,98739 x 10−21 წამი.
ნახშირბადის 14 იზოტოპი წარმოდგენილია 146C, სადაც presuperscript 14 არის ატომური მასა და presubscript 6 არის ატომური ნომერი. Carbon-14– ს აქვს ძალიან დაბალი ბუნებრივი სიმრავლე (0,0000000001 პროცენტი), მაგრამ მისი ხანგრძლივი ნახევარგამოყოფის პერიოდი მას სასარგებლოა რადიომეტრიული დათარიღება.
ნახშირბადი -14 წარმოიქმნება, როდესაც აზოტი -14 რეაგირებს კოსმოსური გამოსხივების ნეიტრონებთან და ამ პროცესში პროტონს გამოყოფს. ნახშირბადი -14 შემდეგ რეაგირებს ჟანგბადთან და წარმოქმნის 14კომპანია2, რომელიც თანაბრად ნაწილდება ატმოსფეროში 12კომპანია2.
147N + 10n>> 146C + 11გვ
ნახშირბადის ციკლი იწყება მაშინ, როდესაც ცოცხალი ორგანიზმები ნახშირორჟანგს გარდაქმნიან (14კომპანია2 და 12კომპანია2 ატმოსფეროდან) ორგანულ ნაერთებად ფოტოსინთეზის შედეგად და სუნთქვის საშუალებით ატმოსფეროში აუბრუნებს მას. ამ წონასწორობაში ფიქსირდება თანაფარდობა 14კომპანია2 და 12კომპანია2 ორგანიზმებში. თუმცა, როდესაც ისინი იღუპებიან, წონასწორობა წყდება და ნახშირბადი -14 განიცდის აზოტის 14 ბეტა დაშლას მისი 5,730 წლის ნახევარგამოყოფის შესაბამისად.
146C>> 147N + 0-1ე
ნახშირბად -14-ის ფარდობითი პროპორციის გაზომვა მკვდარ ნიმუშში, ამრიგად, მისი გარდაცვალების შემდეგ გატარებული დროის გაანგარიშება ხდება. რადიოკარბონის დათარიღების ეს მეთოდი ფართოდ იქნა გამოყენებული 500 – დან 50 000 წლამდე ნაშთების და არქეოლოგიური ნიმუშების დათარიღებისთვის.
Carbon-13 არის კიდევ ერთი იზოტოპი, რომელსაც ინტენსიურად იყენებენ მრავალ პროგრამაში. მაგალითად, იგი გამოიყენება ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის (NMR) ორგანული ნაერთების მოლეკულური სტრუქტურების დასადგენად. იგი ასევე გამოიყენება ეტიკეტირების იარაღად, მასობრივი სპექტრომეტრის კომბინაციაში სამედიცინო კვლევებისთვის.
ნახშირბადის ბოჭკოების მექანიკური თვისებები
ნახშირბადი ასევე ავლენს სასარგებლო მექანიკურ თვისებებს, გარდა მისი ფიზიკური, ქიმიური და ბირთვული თვისებებისა.
მას შეუძლია შექმნას შენადნობები ფოლადის ნახშირბადოვან ფოლადში, რომლის ნახშირბადის შემცველობა იცვლება წონით 0,05 – დან 2 პროცენტამდე. საშუალო ნახშირბადოვანი ფოლადი (0.3-0.6 პროცენტი ნახშირბადი) აქვს დაბალანსებული სიმტკიცე და დუსტურობა, ასევე აქვს შესანიშნავი გაჭიმვის ძალა. სითბოს დამუშავების პროცესის საშუალებით, ულტრა-მაღალ ნახშირბადოვანი ფოლადი (1,25-2 პროცენტი ნახშირბადი) შეიძლება გაჟღენთილი იქნას დიდი სიმტკიცით და გამოყენებული იქნას დანის წარმოებისთვის.
ნახშირბადის ბოჭკოები, რომელთა სისქე 5-დან 10 მკმ-მდეა, ძირითადად ნახშირბადის ატომებისაგან შედგება, აჩვენებს მაღალს სიხისტე, დაჭიმვის ძალა, ქიმიური წინააღმდეგობა, ტემპერატურის ამტანობა და დაბალი წონა და თერმული გაფართოება ფოლადის მოსავლიანობა დამოკიდებულია მის ხარისხზე და რბილ ფოლადს აქვს 247 მპა-ის გამოსავლიანობა. ნახშირბადის ბოჭკოები აქვს tensile სიძლიერე 1600-დან 6,370 მპა-მდე და, შესაბამისად, პოპულარულია კოსმოსური, სამოქალაქო ინჟინერიისა და სპორტი
როდესაც მასალას ახდენს სტრესი, იგი თავიდანვე ელასტიურად დეფორმირდება. ამ ეტაპზე, მას შეუძლია დაუბრუნდეს თავდაპირველ ფორმას, როდესაც სტრესი მოიხსნება. მოსავლიანობა განისაზღვრება, როგორც სტრესი, რომელსაც შეუძლია გაუძლოს მასალა მუდმივი დეფორმაციის გარეშე.
როდესაც ის მიაღწევს წერტილს (მოსავლიანობის ზედა წერტილს), სადაც ვეღარ დაუბრუნდება თავდაპირველ ზომებს, იგი განიცდის პლასტიკურ დეფორმაციას, რაც მუდმივია და შეუქცევადია. დაძაბულობის სიძლიერე არის მაქსიმალური ძალა, რომელსაც შეუძლია გაუძლოს მასალმა ჩავარდნის ან გაწყვეტის გარეშე.