Угљеник је неметални елемент са хемијским симболом Ц. То је четврти по заступљености елемент у свемиру и 15. по заступљености у Земљиној кори. Такође је други најраспрострањенији елемент у човеку након кисеоника. Његова хемијска грађа доводи до неколико јединствених својстава угљеника.
Угљеник припада групи 14 периодног система. Његов атомски број је 6 и има атомску тежину 12.011. Стања оксидације угљеника могу варирати од -4 до +4, где +4 постоји у једињењима као што су метан и угљен дисулфид, и +2 за угљен моноксид.
Физичка својства различитих угљеничних алотропа чине их корисним у батеријама, електроници и наноматеријалима. Угљеник је такође „краљ елемената“, формирајући се готово 10 милиона једињења до данас, укључујући органска, неорганска и органометална једињења.
Изотопи угљеника се широко користе за радиокарбонско датирање (угљеник-14), молекуларну структуру и медицинска истраживања (угљеник-13). Поред тога, угљенична влакна показују изврсна механичка својства и популарна су у ваздухопловству и грађевинарству.
Аллотропес оф Царбон
Угљеник има другачије алотропни облици, са различитим молекуларним конфигурацијама и атомским структурама. Физичка својства угљеника се веома разликују код сваког алотропа. Неки од најпознатијих алотропа угљеника укључују графит, дијамант и фулерене.
Графит је један од најмекших познатих материјала и користи се у оловкама и као чврсто мазиво. Такође је добар проводник електричне енергије, што га чини корисним у батеријама и соларним плочама.
Графен је једноставно један атомски слој графита распоређен у саћасту решетку. У слоју графена, сваки атом угљеника је ковалентно везан за три друга атома, остављајући четврти електрон слободан да мигрира у равни, отуда и његова електрична проводљивост.
Дијамант је, напротив, најтврђа супстанца која се природно јавља и једно је од јединствених својстава угљеника. Има готово двоструку густину графита, а сваки атом угљеника је тетраедрично везан за четири друга без слободних електрона. Стога је дијамант лош проводник електричне енергије. Дијамант је такође бистрог изгледа, за разлику од графита који је непрозиран.
Научници су синтетизовали и друге алотропе угљеника, попут фулерена, угљеничних нанопена и других. Они поседују посебна својства и чине цветајуће подручје истраживања у наноматеријали. Фулерени су група шупљих молекула угљеника у конформацији затвореног кавеза (бацкибалл) или цилиндра (наноцеви од угљеника).
•••Направљено помоћу ЦхемДрав-а
Тхе Ц.60 бацкибалл су открили сир Харолд Крото, Рицхард Смаллеи и Роберт Цурл Јр., користећи ласер за испаравање графитних шипки у атмосфери хелијума. Атоми угљеника спојени су једноструким и двоструким везама да би се формирало 12 петоугаоних и 20 хексагоналних лица у облику фудбалске лопте. Њихови пионирски напори донели су им Нобелову награду 1996.
Иијима Сумио је идентификовао угљеничне наноцеви, које су издужене верзије буцкибаллс-а. Одлични су проводници топлоте и електричне енергије и корисни су за електронику.
Угљеничне наноцеви такође показују импресивну влачну чврстоћу и имају узбудљиве примене у структурним материјалима и медицини. Међутим, контролисана синтеза таквих наноматеријала представља велики изазов за научнике.
Хемијска реактивност угљеника
Угљеник чини основу живота на Земљи, с милионима једињења која садрже угљеник чине 18 посто свих живих бића. Може створити стабилне, ковалентне везе са другим атомима и појавити се као дуги ланци или прстенови јаких међусобно повезаних веза угљеник-угљеник. Они доприносе разноликости и сложености угљеничних једињења која постоје на Земљи.
Ове једињења угљеника укључују органске молекуле попут протеина, угљених хидрата и ДНК који се налазе у ћелијама живих организама, као и неорганска једињења попут угљен-оксида. Проучавање органских молекула чини специјализовано поље под називом органска хемија. Угљеник такође може да формира ковалентне везе са металом као органометална једињења. Такав пример је гвоздени порфирин, који је место везивања кисеоника хемоглобина.
Упркос својој бројности у природи, угљеник је релативно нереактиван у нормалним условима. На стандардној температури није реактиван на киселине (сумпорна киселина или хлороводонична киселина) или алкалије. Такође је стабилан на оксидацију на овој температури. На вишим температурама, међутим, угљеник може да реагује са кисеоником да би створио угљен-оксиде (ЦО2 и ЦО), са сумпорним гасом за стварање угљен-дисулфида и са силицијумом за стварање карбида.
Изотопи угљеника
Познато је 15 изотопа угљеника, од којих су угљеник-12 (98,93 процента природног угљеника) и угљеник-13 (1,07 процента) два стабилна изотопа. Угљеник-14 је најдуговечнији изотоп, са полу-животом од 5.730 година. Изотоп угљеника са најкраћим животом је угљеник-8 и има полуживот 1.98739 к 10−21 секунде.
Изотоп угљеник-14 је представљен са 146Ц, где је претпоставка 14 атомска маса, а претплата 6 атомски број. Угљеник-14 има врло ниско природно богатство (0,0000000001 проценат), али његов дуги полуживот чини га корисним за радиометријско датирање.
Угљеник-14 настаје када азот-14 реагује са неутронима космичког зрачења, ослобађајући у том процесу протон. Угљеник-14 тада реагује са кисеоником да би произвео 14ЦО2, који је у атмосфери равномерно распоређен са 12ЦО2.
147Н + 10н> 146Ц + 11стр
Циклус угљеника започиње када живи организми претворе угљен-диоксид (14ЦО2 и 12ЦО2 из атмосфере) у органска једињења фотосинтезом и дисањем га ослобађају у атмосферу. У овој равнотежи постоји фиксни однос 14ЦО2 и 12ЦО2 у организмима. Међутим, када умру, равнотежа се зауставља и угљеник-14 подлеже бета распаду до азота-14 у складу са његовим временом полураспада од 5.730 година.
146Ц> 147Н + 0-1е
Мерење релативног удела угљеника-14 у мртвом узорку омогућава израчунавање времена протеклог након његове смрти. Ова метода радиокарбонског датирања широко се користи за датирање фосила и археолошких примерака старих 500 до 50 000 година.
Угљеник-13 је још један изотоп који се широко користи у многим применама. На пример, користи се у нуклеарној магнетној резонанци (НМР) за одређивање молекуларних структура органских једињења. Такође се користи као средство за обележавање у комбинацији са масеним спектрометром за медицинска истраживања.
Механичка својства угљеничних влакана
Угљеник такође показује корисна механичка својства, осим својих физичких, хемијских и нуклеарних својстава.
Може се формирати легуре са челиком у угљенични челик, чији садржај угљеника варира од 0,05 до 2 мас.%. Средње-угљенични челик (0,3-0,6 процента угљеника) има уравнотежену чврстоћу и дуктилност, као и одличну влачну чврстоћу. Кроз поступак топлотне обраде, ултра-угљенични челик (1,25-2 процента угљеника) може се темперирати до велике тврдоће и користити за производњу ножева.
Угљенична влакна, која су 5 до 10 μм дебела влакна састављена углавном од атома угљеника, показују високу заступљеност крутост, влачна чврстоћа, хемијска отпорност, толеранција на температуру и мала тежина и термичка проширење. Граница попуштања челика зависи од његове класе, а благи челик има границу течења од 247 МПа. Угљенична влакна имају влачне чврстоће у распону од 1.600 до 6.370 МПа и због тога су популарне у области ваздухопловства, грађевинарства и спорт.
Када се на материјал изврши стрес, он се у почетку еластично деформише. У овој фази се може вратити у првобитни облик када се стрес уклони. Снага приноса дефинише се као напрезање које материјал може поднети без трајних деформација.
Када достигне тачку (горњу границу течења) у којој се више не може вратити у првобитне димензије, подвргава се пластичној деформацији, која је трајна и неповратна. Влачна чврстоћа је максимална чврстоћа коју материјал може поднети без отказивања или ломљења.