Fire kjennetegn ved karbon

Karbon er et ikke-metallisk element med et kjemisk symbol på C. Det er det fjerde mest utbredte elementet i universet, og det 15. mest utbredte elementet i jordskorpen. Det er også det nest mest utbredte elementet hos mennesker etter oksygen. Dens kjemiske sammensetning fører til flere unike egenskaper av karbon.

Karbon tilhører gruppe 14 i det periodiske systemet. Dens atomnummer er 6 og det har en atomvekt på 12.011. Oksidasjonstilstandene til karbon kan variere fra -4 til +4, hvor +4 eksisterer i forbindelser som metan og karbondisulfid, og +2 for karbonmonoksid.

De fysiske egenskapene til forskjellige karbonallotroper gjør dem nyttige i batterier, elektronikk og nanomaterialer. Karbon er også "kongen av elementer", og danner nesten 10 millioner forbindelser hittil inkludert organiske, uorganiske og organometalliske forbindelser.

Isotoper av karbon blir mye brukt til radiokarbondatering (karbon-14), molekylær struktur og medisinsk forskning (karbon-13). I tillegg har karbonfibre utmerkede mekaniske egenskaper og er populære innen luftfart og anlegg.

Karbon har forskjellig allotropiske former, med forskjellige molekylære konfigurasjoner og atomstrukturer. De fysiske egenskapene til karbon varierer sterkt med hver allotrop. Noen av de mest kjente allotropene av karbon inkluderer grafitt, diamant og fullerener.

Grafitt er et av de mykeste kjente materialene og brukes i blyanter og som et fast smøremiddel. Det er også en god elektrisitetsleder, noe som gjør den nyttig i batterier og solcellepaneler.

Grafen er ganske enkelt ett atomlag av grafitt arrangert i et bikakegitter. I et grafensjikt er hvert karbonatom bundet kovalent til tre andre atomer, slik at det fjerde elektronet kan migrere i planet, derav dets elektriske ledningsevne.

Tvert imot er diamant det vanskeligste naturlig forekommende stoffet og er en av karbonens unike egenskaper. Den har nesten dobbelt så stor densitet som grafitt, og hvert karbonatom er bundet tetraedrisk til fire andre uten frittflytende elektroner. Dermed er diamant en dårlig leder av elektrisitet. Diamant er også tydelig i utseende, i motsetning til grafitt, som er ugjennomsiktig.

Forskere har også syntetisert andre allotroper av karbon, slik som fullerener, karbon nanofoam og andre. De har spesielle egenskaper og utgjør et blomstrende forskningsområde i nanomaterialer. Fullerener er en gruppe hule karbonmolekyler i et lukket bur (buckyball) eller sylinder (karbon nanorør) konformasjon.

•••Opprettet med ChemDraw

C₆₀ buckyball ble oppdaget av Sir Harold Kroto, Richard Smalley og Robert Curl Jr., ved hjelp av en laser for å fordampe grafittstenger i en heliumatmosfære. Karbonatomer er koblet sammen av enkelt- og dobbeltbindinger for å danne 12 femkantede og 20 sekskantede flater i en fotballform. Deres banebrytende innsats ga dem Nobelprisen i 1996.

Karbonnanorør, som er langstrakte versjoner av buckyballs, ble identifisert av Iijima Sumio. De er utmerkede ledere av varme og elektrisitet og er nyttige for elektronikk.

Karbon-nanorør viser også imponerende strekkfasthet og har spennende anvendelser innen strukturelle materialer og medisin. Imidlertid har den kontrollerte syntesen av slike nanomaterialer utgjort en stor utfordring for forskere.

Karbon danner grunnlaget for livet på jorden, med millioner av karbonholdige forbindelser som utgjør 18 prosent av alle levende ting. Det kan danne stabile, kovalente bindinger med andre atomer og fremstå som lange kjeder eller ringer med sterke sammenkoblede karbon-karbonbindinger. Disse bidrar til mangfoldet og kompleksiteten av karbonforbindelser som finnes på jorden.

Disse karbonforbindelser inkluderer organiske molekyler som proteiner, karbohydrater og DNA som finnes i cellene i levende organismer, så vel som uorganiske forbindelser som karbonoksider. Studiet av organiske molekyler utgjør et spesialisert felt kalt organisk kjemi. Karbon kan også danne kovalente bindinger med metall som organometalliske forbindelser. Jernporfyrin, som er oksygenbindingsstedet til hemoglobin, er et slikt eksempel.

Til tross for sin overflod i naturen, er karbon relativt ureaktiv under normale forhold. Ved standard temperatur reagerer den ikke mot syrer (svovelsyre eller saltsyre) eller baser. Det er også stabilt mot oksidasjon ved denne temperaturen. Ved høyere temperaturer kan imidlertid karbon reagere med oksygen for å danne karbonoksider (CO₂ og CO), med svovelgass for å danne karbondisulfid og med silisium for å danne karbider.

Det er 15 kjente isotoper av karbon, hvorav karbon-12 (98,93 prosent naturlig karbon) og karbon-13 (1,07 prosent) er de to stabile isotoper. Carbon-14 er den lengstlevende isotopen, med en halveringstid på 5730 år. Den kortvarige karbonisotopen er karbon-8, og den har en halveringstid på 1,98739 x 10⁻²¹ sekunder.

Isotopen karbon-14 er representert med ¹⁴₆C, hvor presuperscript 14 er atommassen og presubscript 6 er atomnummeret. Karbon-14 har svært lav naturlig overflod (0,00000000001 prosent), men den lange halveringstiden gjør den nyttig for radiometrisk dating.

Karbon-14 dannes når nitrogen-14 reagerer med nøytroner fra kosmisk stråling, og frigjør et proton i denne prosessen. Karbon-14 reagerer deretter med oksygen for å generere ¹⁴CO₂, som er jevnt fordelt i atmosfæren med ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁s

Karbonsyklusen starter når levende organismer omdanner karbondioksid (¹⁴CO₂ og ¹²CO₂ fra atmosfæren) til organiske forbindelser ved fotosyntese og frigjør den til atmosfæren ved åndedrett. I denne likevekten er det et fast forhold på ¹⁴CO₂ og ¹²CO₂ i organismer. Men når de dør, stopper likevekten, og karbon-14 gjennomgår beta-forfall til nitrogen-14 i henhold til dens 5,730 år halveringstid.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Måling av den relative andelen karbon-14 i en død prøve tillater således beregning av tiden som har gått etter dens død. Denne metoden for datering av radiokarbon har blitt mye brukt til å datere fossiler og arkeologiske eksempler fra 500 til 50 000 år gamle.

Carbon-13 er en annen isotop som brukes mye i mange applikasjoner. For eksempel brukes den i kjernemagnetisk resonans (NMR) for å bestemme molekylære strukturer av organiske forbindelser. Det brukes også som et merkeverktøy i kombinasjon med et massespektrometer for medisinsk forskning.

Karbon har også nyttige mekaniske egenskaper, bortsett fra dets fysiske, kjemiske og kjernefysiske egenskaper.

Det kan danne seg legeringer med stål til karbonstål, hvorav karboninnhold varierer fra 0,05 til 2 vekt%. Medium karbonstål (0,3-0,6 prosent karbon) har balansert styrke og duktilitet, samt utmerket strekkfasthet. Gjennom en varmebehandlingsprosess kan ultrahøyt karbonstål (1,25-2 prosent karbon) tempereres til stor hardhet og brukes til fremstilling av kniver.

Karbonfibre, som er 5 til 10 mikrometer tykke fibre som hovedsakelig består av karbonatomer, viser høyt stivhet, strekkfasthet, kjemisk motstand, temperaturtoleranse og lav vekt og termisk ekspansjon. Flytfastheten til stål er avhengig av kvaliteten, og mildt stål har en flytegrense på 247 MPa. Karbonfibre har strekkstyrker fra 1.600 til 6.370 MPa og er derfor populære innen luftfart, anlegg og sport.

Når en belastning utøves på et materiale, deformeres det først elastisk. På dette stadiet kan den gå tilbake til sin opprinnelige form når spenningen fjernes. Strekkgrense er definert som spenningen et materiale tåler uten permanent deformasjon.

Når den når et punkt (øvre flytepunkt) der den ikke lenger kan gå tilbake til sine opprinnelige dimensjoner, gjennomgår den plastisk deformasjon, som er en permanent og irreversibel. Strekkfasthet er den maksimale styrken et materiale tåler uten å mislykkes eller brytes.