Углерод - это неметаллический элемент с химическим символом C. Это четвертый по содержанию элемент во Вселенной и 15-й по содержанию элемент в земной коре. Это также второй по распространенности элемент в организме человека после кислорода. Его химический состав приводит к нескольким уникальным свойствам углерода.
Углерод принадлежит к 14-й группе периодической таблицы. Его атомный номер 6, а атомный вес 12,011. Степени окисления углерода могут варьироваться от -4 до +4, где +4 существует в таких соединениях, как метан и сероуглерод, и +2 для монооксида углерода.
Физические свойства различных углеродных аллотропов делают их полезными в аккумуляторах, электронике и наноматериалах. Углерод также является «королем элементов», образуя почти 10 миллионов соединений на сегодняшний день включая органические, неорганические и металлоорганические соединения.
Изотопы углерода широко используются для радиоуглеродного датирования (углерод-14), молекулярной структуры и медицинских исследований (углерод-13). Кроме того, углеродные волокна демонстрируют отличные механические свойства и популярны в аэрокосмической и гражданской инженерии.
Аллотропы углерода
Углерод имеет разные аллотропные формы, с разнообразными молекулярными конфигурациями и атомными структурами. Физические свойства углерода сильно различаются в зависимости от аллотропа. Некоторые из наиболее известных аллотропов углерода включают графит, алмаз и фуллерены.
Графит - один из самых мягких известных материалов, он используется в карандашах и в качестве твердой смазки. Он также является хорошим проводником электричества, что делает его полезным в батареях и солнечных батареях.
Графен - это просто один атомный слой графита, расположенный в сотовой решетке. В слое графена каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами, оставляя четвертый электрон свободным для миграции в плоскости, следовательно, его электропроводность.
Напротив, алмаз - это самое твердое вещество, встречающееся в природе, и одно из уникальных свойств углерода. Он имеет почти вдвое большую плотность, чем графит, и каждый атом углерода тетраэдрически связан с четырьмя другими без свободных электронов. Таким образом, алмаз плохо проводит электричество. Алмаз также имеет прозрачный внешний вид, в отличие от графита, который непрозрачен.
Ученые также синтезировали другие аллотропы углерода, такие как фуллерены, углеродные нано-пены и другие. Они обладают особыми свойствами и представляют собой процветающую область исследований в наноматериалы. Фуллерены представляют собой группу полых молекул углерода в конформации закрытой клетки (бакибол) или цилиндра (углеродные нанотрубки).
•••Создано с помощью ChemDraw
C60 Бакиболл был открыт сэром Гарольдом Крото, Ричардом Смолли и Робертом Керлом-младшим с помощью лазера для испарения графитовых стержней в атмосфере гелия. Атомы углерода соединены вместе одинарными и двойными связями, образуя 12 пятиугольных и 20 шестиугольных граней в форме футбольного мяча. Их новаторские усилия принесли им Нобелевскую премию в 1996 году.
Углеродные нанотрубки, которые представляют собой удлиненные версии бакиболов, были идентифицированы Иидзимой Сумио. Они отлично проводят тепло и электричество и полезны для электроники.
Углеродные нанотрубки также демонстрируют впечатляющую прочность на разрыв и находят интересное применение в конструкционных материалах и медицине. Однако контролируемый синтез таких наноматериалов представляет собой серьезную проблему для ученых.
Химическая реакционная способность углерода
Углерод составляет основу жизни на Земле, причем миллионы углеродсодержащих соединений составляют 18 процентов всего живого. Он может образовывать стабильные ковалентные связи с другими атомами и выглядеть как длинные цепи или кольца прочных взаимосвязанных углерод-углеродных связей. Они вносят вклад в разнообразие и сложность углеродных соединений, существующих на Земле.
Эти углеродные соединения включают органические молекулы, такие как белки, углеводы и ДНК, обнаруженные в клетках живых организмов, а также неорганические соединения, такие как оксиды углерода. Изучение органических молекул составляет специальную область, называемую органической химией. Углерод также может образовывать ковалентные связи с металлом как металлоорганические соединения. Железный порфирин, который является участком связывания кислорода гемоглобина, является таким примером.
Несмотря на его изобилие в природе, углерод относительно инертен при нормальных условиях. При стандартной температуре он не реагирует с кислотами (серной или соляной кислотой) или щелочами. Он также устойчив к окислению при этой температуре. Однако при более высоких температурах углерод может реагировать с кислородом с образованием оксидов углерода (CO2 и CO), с серным газом с образованием сероуглерода и с кремнием с образованием карбидов.
Изотопы углерода
Существует 15 известных изотопов углерода, из которых углерод-12 (98,93 процента природного углерода) и углерод-13 (1,07 процента) являются двумя стабильными изотопами. Углерод-14 - самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада 5730 лет. Самый короткоживущий изотоп углерода - это углерод-8, и его период полураспада составляет 1,98739 x 10.−21 секунд.
Изотоп углерод-14 представлен 146C, где предварительный индекс 14 - это атомная масса, а предварительный индекс 6 - атомный номер. Углерод-14 имеет очень низкое естественное содержание (0,0000000001%), но его длительный период полураспада делает его полезным для радиометрическое датирование.
Углерод-14 образуется, когда азот-14 реагирует с нейтронами космического излучения, высвобождая протон в этом процессе. Затем углерод-14 реагирует с кислородом с образованием 14CO2, который равномерно распределен в атмосфере с 12CO2.
147N + 10п> 146C + 11п
Углеродный цикл начинается, когда живые организмы превращают углекислый газ (14CO2 а также 12CO2 из атмосферы) в органические соединения путем фотосинтеза и высвобождает его обратно в атмосферу путем дыхания. В этом равновесии существует фиксированное соотношение 14CO2 а также 12CO2 в организмах. Однако, когда они умирают, равновесие прекращается, и углерод-14 подвергается бета-распаду до азота-14 в соответствии с его периодом полураспада в 5730 лет.
146C> 147N + 0-1е
Таким образом, измерение относительной доли углерода-14 в мертвом образце позволяет рассчитать время, прошедшее после его смерти. Этот метод радиоуглеродного датирования широко используется для датировки окаменелостей и археологических образцов возрастом от 500 до 50 000 лет.
Углерод-13 - еще один изотоп, который широко используется во многих областях. Например, он используется в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) для определения молекулярных структур органических соединений. Он также используется в качестве инструмента для маркировки в сочетании с масс-спектрометром для медицинских исследований.
Механические свойства углеродных волокон
Углерод также проявляет полезные механические свойства, помимо физических, химических и ядерных свойств.
Он может образовывать сплавы со сталью в углеродистую сталь, содержание углерода в которой варьируется от 0,05 до 2 процентов по массе. Среднеуглеродистая сталь (0,3-0,6 процента углерода) обладает сбалансированной прочностью и пластичностью, а также отличным пределом прочности на разрыв. За счет процесса термической обработки сверхвысокоуглеродистая сталь (1,25–2% углерода) может быть закалена до высокой твердости и использоваться для изготовления ножей.
Углеродные волокна, которые представляют собой волокна толщиной от 5 до 10 мкм, состоящие в основном из атомов углерода, демонстрируют высокую жесткость, прочность на разрыв, химическая стойкость, температурный допуск, малый вес и термический расширение. Предел текучести стали зависит от ее марки, а низкоуглеродистая сталь имеет предел текучести 247 МПа. Углеродные волокна имеют предел прочности на разрыв от 1600 до 6370 МПа, поэтому они популярны в области аэрокосмической промышленности, гражданского строительства и виды спорта.
Когда на материал действует напряжение, он сначала упруго деформируется. На этом этапе он может вернуться к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Предел текучести определяется как напряжение, которое материал может выдержать без остаточной деформации.
Когда он достигает точки (верхнего предела текучести), когда он больше не может вернуться к своим первоначальным размерам, он подвергается пластической деформации, которая является постоянной и необратимой. Прочность на растяжение - это максимальная прочность, которую материал может выдержать без разрушения и разрушения.