Węgiel jest pierwiastkiem niemetalicznym o symbolu chemicznym C. Jest czwartym najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie i piętnastym najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Jest to również drugi po tlenie najliczniejszy pierwiastek u ludzi. Jego skład chemiczny prowadzi do kilku unikalnych właściwości węgla.
Węgiel należy do 14 grupy układu okresowego. Jego liczba atomowa wynosi 6, a masa atomowa 12,011. Stany utlenienia węgla mogą wahać się od -4 do +4, gdzie +4 występuje w związkach takich jak metan i dwusiarczek węgla, a +2 w przypadku tlenku węgla.
Właściwości fizyczne różnych alotropów węgla sprawiają, że są one przydatne w bateriach, elektronice i nanomateriałach. Węgiel jest także „królem pierwiastków”, tworząc prawie 10 milionów związków do tej pory w tym związki organiczne, nieorganiczne i metaloorganiczne.
Izotopy węgla są szeroko stosowane do datowania radiowęglowego (węgiel-14), struktury molekularnej i badań medycznych (węgiel-13). Ponadto włókna węglowe wykazują doskonałe właściwości mechaniczne i są popularne w lotnictwie i inżynierii lądowej.
Alotropy węgla
Węgiel ma inny formy alotropowe, o różnych konfiguracjach molekularnych i strukturach atomowych. Właściwości fizyczne węgla różnią się znacznie w zależności od alotropu. Niektóre z najbardziej znanych alotropów węgla to grafit, diament i fulereny.
Grafit jest jednym z najbardziej miękkich znanych materiałów i jest używany w ołówkach oraz jako stały smar. Jest również dobrym przewodnikiem prądu, dzięki czemu jest przydatny w bateriach i panelach słonecznych.
Grafen to po prostu jedna atomowa warstwa grafitu ułożona w siatkę o strukturze plastra miodu. W warstwie grafenu każdy atom węgla jest związany kowalencyjnie z trzema innymi atomami, dzięki czemu czwarty elektron może swobodnie migrować w płaszczyźnie, stąd jego przewodnictwo elektryczne.
Natomiast diament jest najtwardszą substancją występującą w przyrodzie i jest jedną z unikalnych właściwości węgla. Ma prawie dwukrotnie większą gęstość niż grafit, a każdy atom węgla jest połączony czworościennie z czterema innymi bez swobodnych elektronów. Tak więc diament jest słabym przewodnikiem elektryczności. Diament ma również przejrzysty wygląd, w przeciwieństwie do grafitu, który jest nieprzezroczysty.
Naukowcy zsyntetyzowali także inne alotropy węgla, takie jak fulereny, nanopianki węglowe i inne. Posiadają szczególne właściwości i stanowią kwitnący obszar badań w nanomateriały. Fulereny to grupa pustych w środku cząsteczek węgla w konformacji zamkniętej klatki (buckyball) lub cylindra (nanorurki węglowe).
•••Utworzono za pomocą ChemDraw
C60 Buckyball został odkryty przez Sir Harolda Kroto, Richarda Smalleya i Roberta Curla Jr. za pomocą lasera do odparowania prętów grafitowych w atmosferze helu. Atomy węgla są połączone wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi, tworząc 12 pięciokątnych i 20 sześciokątnych ścian w kształcie piłki nożnej. Ich pionierskie wysiłki przyniosły im Nagrodę Nobla w 1996 roku.
Nanorurki węglowe, które są wydłużonymi wersjami buckyballi, zostały zidentyfikowane przez Iijima Sumio. Są doskonałymi przewodnikami ciepła i elektryczności i są przydatne w elektronice.
Nanorurki węglowe wykazują również imponującą wytrzymałość na rozciąganie i mają ekscytujące zastosowania w materiałach konstrukcyjnych i medycynie. Jednak kontrolowana synteza takich nanomateriałów stanowiła ogromne wyzwanie dla naukowców.
Reaktywność chemiczna węgla
Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, a miliony związków zawierających węgiel stanowią 18% wszystkich żywych istot. Może tworzyć stabilne, kowalencyjne wiązania z innymi atomami i pojawiać się jako długie łańcuchy lub pierścienie silnie łączących się wiązań węgiel-węgiel. Przyczyniają się one do różnorodności i złożoności związków węgla występujących na Ziemi.
Te związki węgla obejmują cząsteczki organiczne, takie jak białka, węglowodany i DNA znajdujące się w komórkach żywych organizmów, a także związki nieorganiczne, takie jak tlenki węgla. Badanie cząsteczek organicznych stanowi wyspecjalizowaną dziedzinę zwaną chemią organiczną. Węgiel może również tworzyć wiązania kowalencyjne z metalem jako związkami metaloorganicznymi. Takim przykładem jest porfiryna żelaza, która jest miejscem wiązania tlenu w hemoglobinie.
Pomimo swojej obfitości w przyrodzie węgiel jest stosunkowo niereaktywny w normalnych warunkach. W standardowej temperaturze nie reaguje z kwasami (kwas siarkowy lub kwas solny) lub zasadami. Jest również odporny na utlenianie w tej temperaturze. Jednak w wyższych temperaturach węgiel może reagować z tlenem, tworząc tlenki węgla (CO2 i CO), z gazową siarką w celu wytworzenia dwusiarczku węgla iz krzemem w celu wytworzenia węglików.
Izotopy węgla
Istnieje 15 znanych izotopów węgla, z których węgiel-12 (98,93 procent naturalnego węgla) i węgiel-13 (1,07 procent) to dwa stabilne izotopy. Węgiel-14 jest najdłużej żyjącym izotopem, z okresem półtrwania wynoszącym 5730 lat. Najkrócej żyjącym izotopem węgla jest węgiel-8, a jego okres półtrwania wynosi 1,98739 x 10−21 sekundy.
Izotop węgla-14 jest reprezentowany przez 146C, gdzie indeks dolny 14 to masa atomowa, a indeks dolny 6 to liczba atomowa. Węgiel-14 ma bardzo niską naturalną zawartość (0,00000000001 procent), ale jego długi okres półtrwania sprawia, że jest przydatny do datowanie radiometryczne.
Węgiel-14 powstaje, gdy azot-14 reaguje z neutronami promieniowania kosmicznego, uwalniając w tym procesie proton. Węgiel-14 reaguje następnie z tlenem, aby wytworzyć 14WSPÓŁ2, który jest równomiernie rozprowadzany w atmosferze z 12WSPÓŁ2.
147N + 10n > 146C + 11p
Cykl węglowy rozpoczyna się, gdy żywe organizmy przekształcają dwutlenek węgla (14WSPÓŁ2 i 12WSPÓŁ2 z atmosfery) w związki organiczne w procesie fotosyntezy i uwalniają je z powrotem do atmosfery przez oddychanie. W tej równowadze istnieje stały stosunek 14WSPÓŁ2 i 12WSPÓŁ2 w organizmach. Jednak kiedy umierają, równowaga zatrzymuje się, a węgiel-14 ulega rozpadowi beta do azotu-14 zgodnie z jego okresem półtrwania wynoszącym 5730 lat.
146C > 147N + 0-1mi
Pomiar względnej proporcji węgla-14 w martwej próbce pozwala zatem na obliczenie czasu, jaki upłynął od jej śmierci. Ta metoda datowania radiowęglowego jest szeroko stosowana do datowania skamieniałości i okazów archeologicznych w wieku od 500 do 50 000 lat.
Węgiel-13 to kolejny izotop, który jest szeroko stosowany w wielu zastosowaniach. Na przykład jest stosowany w magnetycznym rezonansie jądrowym (NMR) do określania struktur molekularnych związków organicznych. Jest również używany jako narzędzie do etykietowania w połączeniu ze spektrometrem mas do badań medycznych.
Właściwości mechaniczne włókien węglowych
Węgiel wykazuje również użyteczne właściwości mechaniczne, inne niż jego właściwości fizyczne, chemiczne i jądrowe.
Może tworzyć stopy ze stali do stali węglowej, której zawartość węgla waha się od 0,05 do 2 procent masy. Stal średniowęglowa (0,3-0,6 procent węgla) ma zrównoważoną wytrzymałość i ciągliwość, a także doskonałą wytrzymałość na rozciąganie. Dzięki procesowi obróbki cieplnej stal o bardzo wysokiej zawartości węgla (1,25-2 procent węgla) może być hartowana do dużej twardości i wykorzystywana do produkcji noży.
Włókna węglowe, które mają grubość od 5 do 10 μm i składają się głównie z atomów węgla, wykazują wysoką sztywność, wytrzymałość na rozciąganie, odporność chemiczna, tolerancja temperaturowa oraz niska waga i termiczna ekspansja. Granica plastyczności stali zależy od jej gatunku, a stal miękka ma granicę plastyczności 247 MPa. Włókna węglowe mają wytrzymałości na rozciąganie w zakresie od 1600 do 6370 MPa i dlatego są popularne w dziedzinie lotnictwa, inżynierii lądowej i Sporty.
Kiedy na materiał wywierany jest nacisk, początkowo odkształca się on elastycznie. Na tym etapie może powrócić do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu naprężeń. Siła uzysku definiuje się jako naprężenie, jakie materiał może wytrzymać bez trwałego odkształcenia.
Gdy osiągnie punkt (górną granicę plastyczności), w którym nie może już powrócić do swoich pierwotnych wymiarów, ulega odkształceniu plastycznemu, które jest trwałe i nieodwracalne. Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalna wytrzymałość, jaką materiał może wytrzymać bez uszkodzenia lub złamania.