Ogleklis ir nemetālisks elements ar ķīmisko simbolu C. Tas ir ceturtais visbīstamākais elements Visumā un 15. visizplatītākais elements Zemes garozā. Tas ir arī otrais bagātākais cilvēka elements pēc skābekļa. Tā ķīmiskais sastāvs rada vairākas unikālas oglekļa īpašības.
Ogleklis pieder periodiskās tabulas 14. grupai. Tā atomu skaitlis ir 6, un tā atoma masa ir 12,111. Oglekļa oksidēšanās pakāpes var svārstīties no -4 līdz +4, kur +4 pastāv tādos savienojumos kā metāns un oglekļa disulfīds, un +2 - oglekļa monoksīdam.
Dažādu oglekļa alotropu fizikālās īpašības padara tās noderīgas akumulatoros, elektronikā un nanomateriālos. Ogleklis ir arī “elementu karalis”, kas gandrīz veido 10 miljoni savienojumu organiskos, neorganiskos un organiskos organiskos savienojumus.
Oglekļa izotopus plaši izmanto radioglekļa datēšanai (ogleklis-14), molekulārajai struktūrai un medicīniskiem pētījumiem (ogleklis-13). Turklāt oglekļa šķiedrām ir izcilas mehāniskās īpašības, un tās ir populāras kosmosa un civilajā inženierijā.
Oglekļa alotropi
Ogleklis ir atšķirīgs alotropiskās formas, ar daudzveidīgu molekulāro konfigurāciju un atomu struktūru. Oglekļa fizikālās īpašības ir ļoti atšķirīgas katrā alotropā. Daži no vispazīstamākajiem oglekļa alotropiem ir grafīts, dimants un fullerēni.
Grafīts ir viens no mīkstākajiem zināmajiem materiāliem, un to izmanto zīmuļos un kā cietu smērvielu. Tas ir arī labs elektrības vadītājs, padarot to noderīgu baterijās un saules baterijās.
Grafēns ir vienkārši viens grafīta atomu slānis, kas sakārtots šūnveida režģī. Grafēna slānī katrs oglekļa atoms ir kovalenti saistīts ar trim citiem atomiem, atstājot ceturto elektronu brīvu migrēt plaknē, līdz ar to tā elektrovadītspēja.
Dimants, gluži pretēji, ir visgrūtāk dabā sastopamā viela, un tā ir viena no oglekļa unikālajām īpašībām. Tam ir gandrīz divreiz lielāks grafīta blīvums, un katrs oglekļa atoms ir tetraedrāli saistīts ar četriem citiem bez brīvi plūstošiem elektroniem. Tādējādi dimants ir slikts elektrības vadītājs. Dimants ir arī skaidrs pēc izskata, atšķirībā no grafīta, kas ir necaurspīdīgs.
Zinātnieki ir sintezējuši arī citus oglekļa alotropus, piemēram, fullerēnus, oglekļa nanoputas un citus. Viņiem piemīt īpašas īpašības un tie ir plaši izplatīti pētniecības rajoni nanomateriāli. Fulerēni ir dobu oglekļa molekulu grupa slēgtā būra (bikbola) vai cilindra (oglekļa nanocaurulīšu) konformācijā.
•••Izveidots, izmantojot ChemDraw
C60 buckyball atklāja sers Harolds Kroto, Ričards Smālijs un Roberts Kērls juniors, izmantojot lāzeru grafīta stieņu iztvaikošanai hēlija atmosfērā. Oglekļa atomi ir savienoti kopā ar vienu un dubultu saiti, veidojot 12 piecstūra un 20 sešstūra formas futbola bumbas formas sejas. Viņu novatoriskie centieni 1996. gadā viņiem nopelnīja Nobela prēmiju.
Oglekļa nanocaurules, kas ir iegarenas kausa bumbiņu versijas, identificēja Iijima Sumio. Tie ir lieliski siltuma un elektrības vadītāji un ir noderīgi elektronikai.
Oglekļa nanocaurules demonstrē arī iespaidīgu stiepes izturību, un tās aizraujoši izmanto strukturālos materiālos un medicīnā. Tomēr kontrolēta šādu nanomateriālu sintēze zinātniekiem ir radījusi lielu izaicinājumu.
Oglekļa ķīmiskā reaktivitāte
Ogleklis veido dzīves pamatu uz Zemes, un miljoniem oglekli saturošu savienojumu veido 18 procentus no visām dzīvajām būtnēm. Tas var veidot stabilas, kovalentas saites ar citiem atomiem un parādīties kā spēcīgas savstarpēji savienojošās oglekļa-oglekļa saites garas ķēdes vai gredzeni. Tie veicina uz Zemes esošo oglekļa savienojumu daudzveidību un sarežģītību.
Šie oglekļa savienojumi ietver organiskas molekulas, piemēram, olbaltumvielas, ogļhidrātus un DNS, kas atrodamas dzīvo organismu šūnās, kā arī neorganiskus savienojumus, piemēram, oglekļa oksīdus. Organisko molekulu izpēte ir specializēta joma, ko sauc par organisko ķīmiju. Ogleklis var arī veidot kovalentās saites ar metālu kā metāla organiskos savienojumus. Šāds piemērs ir dzelzs porfirīns, kas ir hemoglobīna saistīšanās vieta ar skābekli.
Neskatoties uz tā bagātību dabā, normālos apstākļos ogleklis ir salīdzinoši nereaģējošs. Standarta temperatūrā tas nav reaktīvs pret skābēm (sērskābi vai sālsskābi) vai sārmiem. Šajā temperatūrā tas ir arī stabils oksidācijai. Tomēr augstākā temperatūrā ogleklis var reaģēt ar skābekli, veidojot oglekļa oksīdus (CO2 un CO), ar sēra gāzi, veidojot oglekļa disulfīdu, un ar silīciju, lai veidotu karbīdus.
Oglekļa izotopi
Ir zināmi 15 oglekļa izotopi, no kuriem ogleklis-12 (98,93 procenti dabiskā oglekļa) un ogleklis-13 (1,07 procenti) ir divi stabilie izotopi. Ogleklis-14 ir visilgāk izotops, kura pussabrukšanas periods ir 5730 gadi. Visīsākais oglekļa izotops ir ogleklis-8, un tā pussabrukšanas periods ir 1,98739 x 10−21 sekundes.
Oglekļa-14 izotopu apzīmē ar 146C, kur priekšraksts 14 ir atomu masa un priekšraksts 6 ir atomu skaitlis. Oglekļa-14 dabiskais daudzums ir ļoti zems (0,0000000001 procents), taču tā ilgais pusperiods padara to noderīgu radiometriskā datēšana.
Ogleklis-14 rodas, kad slāpeklis-14 reaģē ar kosmiskā starojuma neitroniem, šajā procesā atbrīvojot protonu. Ogleklis-14 pēc tam reaģē ar skābekli, lai radītu 14CO2, kas vienmērīgi sadalās atmosfērā ar 12CO2.
147N + 10n> 146C + 11lpp
Oglekļa cikls sākas, kad dzīvie organismi pārvērš oglekļa dioksīdu (14CO2 un 12CO2 no atmosfēras) fotosintēzes ceļā organiskos savienojumos un elpojot atbrīvo to atpakaļ atmosfērā. Šajā līdzsvarā pastāv noteikta attiecība 14CO2 un 12CO2 organismos. Tomēr, kad viņi mirst, līdzsvars apstājas, un ogleklis-14 iziet beta sadalīšanās procesā līdz slāpeklim-14 saskaņā ar tā 5 730 gadu pusperiodu.
146C> 147N + 0-1e
Oglekļa-14 relatīvās proporcijas izmērīšana beigtā paraugā ļauj aprēķināt laiku, kas pagājis pēc tā nāves. Šī radioglekļa datēšanas metode ir plaši izmantota fosiliju un arheoloģisko paraugu datēšanai no 500 līdz 50 000 gadiem.
Carbon-13 ir vēl viens izotops, kas tiek plaši izmantots daudzās lietojumprogrammās. Piemēram, to izmanto kodolmagnētiskajā rezonansē (KMR), lai noteiktu organisko savienojumu molekulārās struktūras. Medicīniskiem pētījumiem to izmanto arī kā marķēšanas instrumentu kopā ar masas spektrometru.
Oglekļa šķiedru mehāniskās īpašības
Ogleklim piemīt arī noderīgas mehāniskās īpašības, izņemot fizikālās, ķīmiskās un kodola īpašības.
Tas var veidoties sakausējumi ar tēraudu oglekļa tēraudā, no kura oglekļa saturs svārstās no 0,05 līdz 2 svara procentiem. Vidēji oglekļa tēraudam (0,3-0,6 procenti oglekļa) ir līdzsvarota izturība un elastība, kā arī lieliska stiepes izturība. Izmantojot termiskās apstrādes procesu, īpaši augstu oglekļa saturu saturošu tēraudu (1,25–2 procenti oglekļa) var atlaidināt līdz lielai cietībai un izmantot nažu ražošanai.
Oglekļa šķiedras, kuru biezums ir no 5 līdz 10 μm, galvenokārt no oglekļa atomiem, ir augstas stingrība, stiepes izturība, ķīmiskā izturība, temperatūras pielaide un mazs svars un termiskā izturība paplašināšanās. Tērauda tecēšanas stiprums ir atkarīgs no tā pakāpes, un mīkstā tērauda tecēšanas stiprība ir 247 MPa. Oglekļa šķiedrām ir stiepes izturība, sākot no 1600 līdz 6370 MPa, un tāpēc ir populāra aviācijas, civilās inženierijas un sports.
Kad materiālam tiek pielikts spriegums, tas vispirms elastīgi deformējas. Šajā posmā, kad spriegums tiek noņemts, tas var atgriezties sākotnējā formā. Ražas stiprums ir definēts kā spriedze, ko materiāls var izturēt bez paliekošas deformācijas.
Kad tas sasniedz punktu (augšējo tecēšanas punktu), kur tas vairs nevar atgriezties sākotnējos izmēros, tas piedzīvo plastmasas deformāciju, kas ir pastāvīga un neatgriezeniska. Stiepes izturība ir maksimālā izturība, ko materiāls var izturēt, neizjaucot un nesalūstot.
