Fyra karaktäristika för kol

Kol är ett icke-metalliskt grundämne med en kemisk symbol av C. Det är det fjärde mest förekommande elementet i universum och det 15: e mest förekommande elementet i jordskorpan. Det är också det näst vanligaste elementet hos människor efter syre. Dess kemiska sammansättning leder till flera unika egenskaper hos kol.

Kol tillhör grupp 14 i det periodiska systemet. Dess atomnummer är 6 och det har en atomvikt på 12.011. Oxidationstillstånden för kol kan variera från -4 till +4, där +4 finns i föreningar såsom metan och koldisulfid, och +2 för kolmonoxid.

De fysiska egenskaperna hos olika kolallotroper gör dem användbara i batterier, elektronik och nanomaterial. Kol är också ”elementets kung” och bildar nästan 10 miljoner föreningar hittills inklusive organiska, oorganiska och organometalliska föreningar.

Isotoper av kol används i stor utsträckning för radiokolodatering (kol-14), molekylär struktur och medicinsk forskning (kol-13). Dessutom uppvisar kolfibrer utmärkta mekaniska egenskaper och är populära inom flyg- och anläggningsteknik.

Kol har olika allotropa former, med olika molekylära konfigurationer och atomstrukturer. De fysiska egenskaperna hos kol varierar kraftigt med varje allotrop. Några av de mest kända allotroperna av kol inkluderar grafit, diamant och fullerener.

Grafit är ett av de mjukaste kända materialen och används i pennor och som ett fast smörjmedel. Det är också en bra ledare för el, vilket gör den användbar i batterier och solpaneler.

Grafen är helt enkelt ett atomskikt av grafit ordnat i ett bikakegaller. I ett grafenskikt är varje kolatom bunden kovalent till tre andra atomer, vilket ger den fjärde elektronen fri att migrera i planet, därav dess elektriska ledningsförmåga.

Tvärtom är diamant det hårdaste naturligt förekommande ämnet och är en av de unika egenskaperna hos kol. Den har nästan dubbelt så stor densitet som grafit och varje kolatom är bunden tetraedrisk till fyra andra utan fritt flödande elektroner. Således är diamant en dålig elektriskt ledare. Diamant är också tydligt i utseende, till skillnad från grafit, som är ogenomskinlig.

Forskare har också syntetiserat andra allotroper av kol, såsom fullerener, kolnanofoam och andra. De har speciella egenskaper och utgör ett blommande forskningsområde i nanomaterial. Fullerener är en grupp ihåliga kolmolekyler i en sluten bur (buckyball) eller cylinder (kolnanorör) konformation.

•••Skapad med ChemDraw

C₆₀ buckyball upptäcktes av Sir Harold Kroto, Richard Smalley och Robert Curl Jr., med hjälp av en laser för att förånga grafitstavar i en heliumatmosfär. Kolatomerna sammanfogas av enkel- och dubbelbindningar för att bilda 12 femkantiga och 20 sexkantiga ytor i fotbollsform. Deras banbrytande ansträngningar gav dem Nobelpriset 1996.

Kolnanorör, som är långsträckta versioner av buckyballs, identifierades av Iijima Sumio. De är utmärkta ledare för värme och elektricitet och är användbara för elektronik.

Kolnanorör uppvisar också imponerande draghållfasthet och har spännande tillämpningar inom strukturmaterial och medicin. Den kontrollerade syntesen av sådana nanomaterial har dock utgjort en stor utmaning för forskare.

Kol utgör grunden för livet på jorden, med miljontals kolinnehållande föreningar som utgör 18 procent av alla levande saker. Det kan bilda stabila, kovalenta bindningar med andra atomer och visas som långa kedjor eller ringar av starka sammankopplande kol-kolbindningar. Dessa bidrar till mångfalden och komplexiteten hos kolföreningar som finns på jorden.

Dessa kolföreningar inkluderar organiska molekyler såsom proteiner, kolhydrater och DNA som finns i cellerna i levande organismer såväl som oorganiska föreningar som koloxider. Studien av organiska molekyler utgör ett specialiserat område som kallas organisk kemi. Kol kan också bilda kovalenta bindningar med metall som organometalliska föreningar. Järnporfyrin, som är syrebindningsstället för hemoglobin, är ett sådant exempel.

Trots sitt överflöd i naturen är kol relativt oreaktivt under normala förhållanden. Vid standardtemperatur reagerar den inte mot syror (svavelsyra eller saltsyra) eller alkalier. Det är också stabilt mot oxidation vid denna temperatur. Vid högre temperaturer kan emellertid kol reagera med syre för att bilda koloxider (CO₂ och CO), med svavelgas för att bilda koldisulfid och med kisel för att bilda karbider.

Det finns 15 kända isotoper av kol, varav kol-12 (98,93 procent naturligt kol) och kol-13 (1,07 procent) är de två stabila isotoperna. Kol-14 är den långlivade isotopen med en halveringstid på 5730 år. Den kortlivade kolisotopen är kol-8 och den har en halveringstid på 1,98739 x 10⁻²¹ sekunder.

Isotopen kol-14 representeras av ¹⁴₆C, där förskriften 14 är atommassan och förskriften 6 är atomnumret. Kol-14 har mycket lågt naturligt överflöd (0,000000001 procent), men dess långa halveringstid gör det användbart för radiometrisk dejting.

Kol-14 bildas när kväve-14 reagerar med neutroner från kosmisk strålning och frigör en proton i denna process. Kol-14 reagerar sedan med syre för att generera ¹⁴CO₂, som fördelas jämnt i atmosfären med ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁sid

Kolcykeln börjar när levande organismer omvandlar koldioxid (¹⁴CO₂ och ¹²CO₂ från atmosfären) till organiska föreningar genom fotosyntes och släpp den tillbaka till atmosfären genom andning. I denna jämvikt finns det ett fast förhållande på ¹⁴CO₂ och ¹²CO₂ i organismerna. Men när de dör stannar jämvikten och kol-14 genomgår beta-sönderfall till kväve-14 enligt dess 5 730 års halveringstid.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Mätning av den relativa andelen kol-14 i ett dött prov möjliggör således beräkning av tiden som gått efter dess död. Denna metod för radiokolodatering har använts i stor utsträckning för att datera fossiler och arkeologiska prover från 500 till 50 000 år gamla.

Carbon-13 är en annan isotop som används i stor utsträckning i många applikationer. Till exempel används den i kärnmagnetisk resonans (NMR) för bestämning av molekylära strukturer av organiska föreningar. Det används också som ett märkningsverktyg i kombination med en masspektrometer för medicinsk forskning.

Kol uppvisar också användbara mekaniska egenskaper, förutom dess fysiska, kemiska och kärnegenskaper.

Det kan bildas legeringar med stål till kolstål, varav kolhalten varierar från 0,05 till 2 viktprocent. Medium kolstål (0,3-0,6 procent kol) har balanserad hållfasthet och seghet samt utmärkt draghållfasthet. Genom en värmebehandlingsprocess kan ultrahögt kolstål (1,25-2 procent kol) härdas till stor hårdhet och användas för tillverkning av knivar.

Kolfibrer, som är 5 till 10 mikrometer tjocka fibrer som huvudsakligen består av kolatomer, visar höga styvhet, draghållfasthet, kemisk beständighet, temperaturtolerans och låg vikt och termisk expansion. Flödestyrkan för stål är beroende av dess kvalitet och mjukt stål har en sträckgräns på 247 MPa. Kolfibrer har dragstyrkor från 1600 till 6370 MPa och är därför populära inom flyg-, anläggnings- och sporter.

När en belastning utövas på ett material deformeras det först elastiskt. I detta skede kan den återgå till sin ursprungliga form när spänningen avlägsnas. Sträckgräns definieras som den spänning ett material tål utan permanent deformation.

När den når en punkt (övre sträckpunkt) där den inte längre kan återgå till sina ursprungliga dimensioner genomgår den plastisk deformation, vilket är en permanent och oåterkallelig. Draghållfasthet är den maximala hållfastheten ett material tål utan att misslyckas eller brytas.