Keturios anglies savybės

Anglis yra nemetalinis elementas, kurio cheminis simbolis yra C. Tai yra ketvirtas pagal dydį visatos elementas ir 15-as pagal gausumą Žemės plutos elementas. Tai taip pat yra antras labiausiai paplitęs žmogaus elementas po deguonies. Cheminis makiažas lemia keletą unikalių anglies savybių.

Anglis priklauso periodinės lentelės 14 grupei. Jo atominis skaičius yra 6, o jo atominė masė yra 12 011. Anglies oksidacijos būsenos gali skirtis nuo -4 iki +4, kur junginiuose, tokiuose kaip metanas ir anglies disulfidas, yra +4, o anglies monoksido - +2.

Skirtingų anglies alotropų fizinės savybės daro juos naudingus baterijose, elektronikoje ir nanomedžiagose. Anglis taip pat yra „elementų karalius“, formuojantis beveik 10 milijonų junginių organinius, neorganinius ir organinius metalų junginius.

Anglies izotopai yra plačiai naudojami radionuklidų datavimui (anglies-14), molekulinės struktūros ir medicinos tyrimams (anglies-13). Be to, anglies pluoštai pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis ir yra populiarūs kosminėje erdvėje ir civilinėje inžinerijoje.

Anglies yra skirtingos alotropinės formos, turintys įvairias molekulines konfigūracijas ir atomines struktūras. Fizinės anglies savybės labai skiriasi priklausomai nuo kiekvieno alotropo. Kai kurie iš labiausiai žinomų anglies alotropų yra grafitas, deimantas ir fullerenai.

Grafitas yra viena iš minkščiausių žinomų medžiagų ir naudojama pieštukams bei kaip kietas tepalas. Tai taip pat yra geras elektros laidininkas, todėl jis naudingas baterijose ir saulės baterijose.

Grafenas yra tiesiog vienas grafito atominis sluoksnis, išdėstytas korio gardelėje. Grafeno sluoksnyje kiekvienas anglies atomas yra kovalentiškai sujungtas su trimis kitais atomais, paliekant ketvirtąjį elektroną laisvą migraciją plokštumoje, taigi ir jo elektrinį laidumą.

Deimantas, priešingai, yra sunkiausia natūraliai atsirandanti medžiaga ir yra viena iš unikalių anglies savybių. Jo tankis beveik dvigubai didesnis, o kiekvienas anglies atomas tetraedriniu būdu yra sujungtas su keturiais kitais, be laisvai tekančių elektronų. Taigi deimantas yra blogas elektros laidininkas. Deimantas taip pat yra aiškus išvaizda, skirtingai nei matinis grafitas.

Mokslininkai taip pat sintetino kitus anglies alotropus, tokius kaip fullerenai, anglies nanoputai ir kt. Jie turi ypatingų savybių ir yra žydinčių tyrimų sritis nanomedžiagos. Fulerenai yra tuščiavidurių anglies molekulių grupė, esanti uždarame narve („buckyball“) arba cilindre (anglies nanovamzdeliai).

•••Sukurta naudojant „ChemDraw“

C₆₀ kibirą atrado seras Haroldas Kroto, Richardas Smalley ir Robertas Curlas jaunesnysis, lazeriu heliumo atmosferoje garindami grafito strypus. Anglies atomai sujungiami viengubomis ir dvigubomis jungtimis, kad susidarytų 12 penkiakampių ir 20 šešiakampių futbolo kamuolio formos veidų. Jų novatoriškos pastangos pelnė Nobelio premiją 1996 m.

Anglies nanovamzdelius, kurie yra pailgos kaušelių versijos, nustatė Iijima Sumio. Jie yra puikūs šilumos ir elektros laidininkai ir yra naudingi elektronikai.

Anglies nanovamzdeliai taip pat demonstruoja įspūdingą atsparumą tempimui ir yra įdomūs konstrukcinių medžiagų ir medicinos srityse. Tačiau kontroliuojama tokių nanomedžiagų sintezė mokslininkams kėlė didžiulį iššūkį.

Anglis sudaro gyvybės Žemėje pagrindą - milijonai anglies turinčių junginių sudaro 18 procentų visų gyvųjų. Jis gali suformuoti stabilius, kovalentinius ryšius su kitais atomais ir pasirodyti kaip stiprių tarpusavyje jungiančių anglies-anglies ryšių grandinės ar žiedai. Tai prisideda prie anglies junginių, esančių Žemėje, įvairovės ir sudėtingumo.

Šie anglies junginiai apima organines molekules, tokias kaip baltymai, angliavandeniai ir DNR, randamos gyvų organizmų ląstelėse, taip pat neorganinius junginius, tokius kaip anglies oksidai. Organinių molekulių tyrimas yra specializuota sritis, vadinama organine chemija. Anglis taip pat gali sudaryti kovalentinius ryšius su metalu, kaip metalorganiniai junginiai. Toks pavyzdys yra geležies porfirinas, kuris yra hemoglobino jungimosi su deguonimi vieta.

Nepaisant gamtoje gausos, normaliomis sąlygomis anglis yra palyginti nereaguojanti. Standartinėje temperatūroje jis nereaguoja rūgščių (sieros rūgšties ar druskos rūgšties) ar šarmų atžvilgiu. Šioje temperatūroje jis taip pat stabilus oksidacijai. Tačiau esant aukštesnei temperatūrai anglis gali reaguoti su deguonimi ir sudaryti anglies oksidus (CO₂ ir CO), su sieros dujomis, kad susidarytų anglies disulfidas, ir su siliciu, kad susidarytų karbidai.

Yra 15 žinomų anglies izotopų, iš kurių anglis-12 (98,93 proc. Natūralios anglies) ir anglis-13 (1,07 proc.) Yra du stabilūs izotopai. Anglis-14 yra ilgiausias izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 5730 metų. Trumpiausias anglies izotopas yra anglis-8, jo pusinės eliminacijos laikas yra 1,98739 x 10⁻²¹ sekundžių.

Anglies-14 izotopą žymi ¹⁴₆C, kur išankstinis indeksas 14 yra atomo masė, o 6 išankstinis indeksas - atomo skaičius. Anglies-14 gamtinė gausa yra labai maža (0,0000000001 proc.), Tačiau dėl ilgo pusinės eliminacijos periodo ji yra naudinga radiometrinė data.

Anglis-14 susidaro, kai azotas-14 reaguoja su kosminės spinduliuotės neutronais, šiame procese išlaisvindamas protoną. Tada anglis-14 reaguoja su deguonimi, kad susidarytų ¹⁴CO₂, kuris tolygiai pasiskirsto atmosferoje su ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁p

Anglies ciklas prasideda, kai gyvi organizmai paverčia anglies dioksidą (¹⁴CO₂ ir ¹²CO₂ iš atmosferos) į organinius junginius fotosintezės būdu ir kvėpuodamas išleidžia atgal į atmosferą. Šioje pusiausvyroje yra fiksuotas santykis ¹⁴CO₂ ir ¹²CO₂ organizmuose. Tačiau jiems mirus, pusiausvyra nutrūksta, o anglis-14 pagal 5730 metų pusperiodį beta suyra iki azoto-14.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Išmatavus santykinę anglies-14 dalį negyvame bandinyje, galima apskaičiuoti laiką, praėjusį po jo mirties. Šis radijo anglies datavimo metodas buvo plačiai naudojamas randant fosilijas ir archeologinius mėginius nuo 500 iki 50 000 metų.

Anglis-13 yra dar vienas izotopas, kuris yra plačiai naudojamas daugelyje programų. Pavyzdžiui, jis naudojamas branduoliniame magnetiniame rezonanse (BMR) organinių junginių molekulinėms struktūroms nustatyti. Medicininiams tyrimams jis taip pat naudojamas kaip ženklinimo priemonė kartu su masės spektrometru.

Anglis taip pat pasižymi naudingomis mechaninėmis savybėmis, išskyrus fizines, chemines ir branduolines savybes.

Jis gali susiformuoti lydiniai iš plieno į anglinį plieną, kurio anglies kiekis svyruoja nuo 0,05 iki 2 masės procentų. Vidutinio anglies plieno (0,3–0,6 proc. Anglies) stiprumas ir plastiškumas, taip pat puikus atsparumas tempimui. Atliekant terminio apdorojimo procesą, ypač daug anglies turintis plienas (1,25–2 proc. Anglies) gali būti labai kietas ir naudojamas peiliams gaminti.

Anglies pluoštai, kurių storis yra 5–10 μm, daugiausia sudaryti iš anglies atomų, yra aukšti standumas, atsparumas tempimui, cheminis atsparumas, temperatūros toleravimas ir mažas svoris bei šiluminis plėtimasis. Plieno takumo stipris priklauso nuo jo kokybės, o švelnaus plieno - 247 MPa. Anglies pluoštai turi tempimo stipris svyruoja nuo 1600 iki 6370 MPa, todėl yra populiarus aviacijos, civilinės inžinerijos ir sportas.

Kai medžiaga patiria įtampą, ji iš pradžių elastingai deformuojasi. Šiame etape jis gali grįžti į savo pradinę formą, kai pašalinamas įtempimas. Derlingumas apibrėžiamas kaip įtempis, kurį medžiaga gali atlaikyti be nuolatinės deformacijos.

Pasiekęs tašką (viršutinį takumo tašką), kuriame jis nebegali grįžti į pradinius matmenis, jis patiria plastinę deformaciją, kuri yra nuolatinė ir negrįžtama. Tempimo jėga yra didžiausias stiprumas, kurį medžiaga gali atlaikyti nesugedusi ir nesulūžusi.