탄소의 4 가지 특성

탄소는 화학 기호 C가있는 비금속 원소입니다. 그것은 우주에서 네 번째로 풍부한 원소이고, 지각에서 15 번째로 풍부한 원소입니다. 또한 산소 다음으로 인간에서 두 번째로 풍부한 요소입니다. 그것의 화학적 구성은 탄소의 몇 가지 독특한 특성으로 이어집니다.

탄소는 주기율표의 그룹 14에 속합니다. 원자 번호는 6이고 원자량은 12.011입니다. 탄소의 산화 상태는 -4에서 +4까지 다양하며, 여기서 +4는 메탄 및 이황화 탄소와 같은 화합물에 존재하고 일산화탄소는 +2입니다.

서로 다른 탄소 동소체의 물리적 특성은 배터리, 전자 제품 및 나노 물질에 유용합니다. 탄소는 또한 "원소의 왕"이며 거의 천만 화합물 현재까지 유기, 무기 및 유기 금속 화합물을 포함합니다.

탄소 동위 원소는 방사성 탄소 연대 측정 (탄소 -14), 분자 구조 및 의학 연구 (탄소 -13)에 광범위하게 사용됩니다. 또한 탄소 섬유는 우수한 기계적 특성을 나타내며 항공 우주 및 토목 공학에서 널리 사용됩니다.

탄소는 다릅니다 동종 형태, 다양한 분자 구성 및 원자 구조. 탄소의 물리적 특성은 각 동소체에 따라 크게 다릅니다. 가장 잘 알려진 탄소 동소체에는 흑연, 다이아몬드 및 풀러렌이 있습니다.

흑연은 알려진 가장 부드러운 재료 중 하나이며 연필과 고체 윤활제로 사용됩니다. 또한 좋은 전기 전도체이므로 배터리 및 태양 전지판에 유용합니다.

그래 핀은 벌집 격자에 배열 된 흑연의 원자 층입니다. 그래 핀 층에서 각 탄소 원자는 세 개의 다른 원자와 공유 결합되어 네 번째 전자가 평면에서 자유롭게 이동하므로 전기 전도성이 있습니다.

반대로 다이아몬드는 자연적으로 발생하는 가장 단단한 물질이며 탄소의 독특한 특성 중 하나입니다. 그것은 흑연의 거의 두 배의 밀도를 가지고 있으며, 각 탄소 원자는 자유 유동 전자없이 4 면체로 다른 4 개와 결합되어 있습니다. 따라서 다이아몬드는 전기 전도체가 좋지 않습니다. 다이아몬드는 불투명 한 흑연과 달리 외관상 투명합니다.

과학자들은 또한 풀러렌, 탄소 나노 폼 등과 같은 다른 탄소 동소체를 합성했습니다. 그들은 특별한 속성을 가지고 있으며 연구의 개화 영역을 구성합니다.

•••ChemDraw를 사용하여 생성

C₆₀ 버키볼은 헬륨 대기에서 흑연 막대를 증발시키기 위해 레이저를 사용하여 Harold Kroto 경, Richard Smalley 및 Robert Curl Jr.에 의해 발견되었습니다. 탄소 원자는 단일 및 이중 결합으로 결합되어 축구 공 모양의 12 개의 오각형과 20 개의 육각형면을 형성합니다. 그들의 선구적인 노력은 1996 년에 노벨상을 받았습니다.

버키볼의 길쭉한 버전 인 탄소 나노 튜브는 Iijima Sumio에 의해 확인되었습니다. 그들은 열과 전기의 우수한 전도체이며 전자 제품에 유용합니다.

탄소 나노 튜브는 또한 인상적인 인장 강도를 보여 주며 구조 재료 및 의학 분야에서 흥미로운 응용 분야를 가지고 있습니다. 그러나 이러한 나노 물질의 제어 된 합성은 과학자들에게 큰 도전이되었습니다.

탄소는 지구상의 생명의 기초를 형성하며 수백만 개의 탄소 함유 화합물이 모든 생명체의 18 %를 구성합니다. 그것은 다른 원자와 안정적이고 공유 결합을 형성 할 수 있으며 탄소-탄소 결합이 강한 긴 사슬 또는 고리로 나타날 수 있습니다. 이는 지구상에 존재하는 탄소 화합물의 다양성과 복잡성에 기여합니다.

이들 탄소 화합물 생명체의 세포에서 발견되는 단백질, 탄수화물 및 DNA와 같은 유기 분자와 탄소 산화물과 같은 무기 화합물이 포함됩니다. 유기 분자에 대한 연구는 유기 화학이라는 전문 분야를 구성합니다. 탄소는 또한 유기 금속 화합물로서 금속과 공유 결합을 형성 할 수 있습니다. 헤모글로빈의 산소 결합 부위 인 철 포르피린이 그 예입니다.

풍부한 자연에도 불구하고 탄소는 정상적인 조건에서 상대적으로 반응이 없습니다. 표준 온도에서는 산 (황산 또는 염산)이나 알칼리에 반응하지 않습니다. 이 온도에서 산화에도 안정적입니다. 그러나 더 높은 온도에서 탄소는 산소와 반응하여 탄소 산화물 (CO₂ 및 CO), 황 가스와 함께 이황화 탄소를 형성하고 실리콘과 함께 탄화물을 형성한다.

알려진 탄소 동위 원소는 15 개이며, 그중 탄소 -12 (천연 탄소의 98.93 %)와 탄소 -13 (1.07 %)이 두 가지 안정 동위 원소입니다. 탄소 -14는 수명이 가장 긴 동위 원소로 반감기가 5,730 년입니다. 수명이 가장 짧은 탄소 동위 원소는 탄소 -8이고 반감기는 1.98739 x 10입니다.⁻²¹ 초.

동위 원소 탄소 -14는 ¹⁴₆C, 여기서 presuperscript 14는 원자 질량이고 presubscript 6은 원자 번호입니다. 탄소 -14는 자연 풍부도가 매우 낮지 만 (0.0000000001 %) 반감기가 길어 방사성 연대 측정.

탄소 -14는 질소 -14가 우주 방사선의 중성자와 반응하여이 과정에서 양성자를 방출 할 때 형성됩니다. 그런 다음 탄소 -14는 산소와 반응하여 ¹⁴CO₂, 대기에 고르게 분포되어 있습니다. ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁피

탄소 순환은 살아있는 유기체가 이산화탄소 (¹⁴CO₂ 과 ¹²CO₂ 대기에서) 광합성에 의해 유기 화합물로 전환되고 호흡에 의해 대기로 다시 방출됩니다. 이 평형에는 다음과 같은 고정 비율이 있습니다. ¹⁴CO₂ 과 ¹²CO₂ 유기체에서. 그러나 그들이 죽으면 평형이 멈추고 탄소 -14는 5,730 년 반감기에 따라 질소 -14로 베타 붕괴됩니다.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1이자형

따라서 죽은 표본에서 탄소 -14의 상대적 비율을 측정하면 사망 후 경과 된 시간을 계산할 수 있습니다. 이 방사성 탄소 연대 측정 방법은 500 년에서 50,000 년 사이의 화석과 고고학 표본의 연대 측정에 널리 사용되었습니다.

탄소 -13은 많은 응용 분야에서 광범위하게 사용되는 또 다른 동위 원소입니다. 예를 들어, 유기 화합물의 분자 구조를 결정하기 위해 핵 자기 공명 (NMR)에 사용됩니다. 또한 의학 연구를위한 질량 분석기와 함께 라벨링 도구로도 사용됩니다.

탄소는 또한 물리적, 화학적 및 핵 특성 이외의 유용한 기계적 특성을 나타냅니다.

그것은 형성 할 수 있습니다 합금 강철과 탄소강으로, 탄소 함량은 0.05에서 2 중량 %까지 다양합니다. 중 탄소강 (탄소 0.3 ~ 0.6 %)은 강도와 ​​연성이 균형을 이루고 우수한 인장 강도를 가지고 있습니다. 열처리 공정을 통해 초고 탄소강 (1.25-2 % 탄소)을 높은 경도로 템퍼링하여 나이프 제조에 사용할 수 있습니다.

주로 탄소 원자로 구성된 5 ~ 10μm 두께의 섬유 인 탄소 섬유는 강성, 인장 강도, 내 화학성, 내열성 및 저중량 및 열 확장. 강철의 항복 강도는 등급에 따라 다르며 연강의 항복 강도는 247 MPa입니다. 탄소 섬유는 인장 강도는 1,600 ~ 6,370 MPa이며 따라서 항공 우주, 토목 공학 및 스포츠.

재료에 응력이 가해지면 처음에는 탄 성적으로 변형됩니다. 이 단계에서 스트레스가 제거되면 원래 모양으로 돌아갈 수 있습니다. 항복 강도 재료가 영구적 인 변형없이 견딜 수있는 응력으로 정의됩니다.

더 이상 원래 치수로 돌아갈 수없는 지점 (상위 항복점)에 도달하면 영구적이고 비가역적인 소성 변형을 겪습니다. 인장 강도는 재료가 파손되거나 파손되지 않고 견딜 수있는 최대 강도입니다.