สี่ลักษณะของคาร์บอน

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะที่มีสัญลักษณ์ทางเคมีของ C. เป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสี่ในจักรวาลและเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดเป็นอันดับที่ 15 ในเปลือกโลก นอกจากนี้ยังเป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสองในมนุษย์รองจากออกซิเจน องค์ประกอบทางเคมีทำให้เกิดคุณสมบัติพิเศษหลายประการของคาร์บอน

คาร์บอนอยู่ในกลุ่ม 14 ของตารางธาตุ เลขอะตอมของมันคือ 6 และมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 12.011 สถานะออกซิเดชันของคาร์บอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ -4 ถึง +4 โดยที่ +4 มีอยู่ในสารประกอบ เช่น มีเทนและคาร์บอนไดซัลไฟด์ และ +2 สำหรับคาร์บอนมอนอกไซด์

คุณสมบัติทางกายภาพของ carbon allotropes ทำให้มีประโยชน์ในแบตเตอรี่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุนาโน คาร์บอนยังเป็น "ราชาแห่งองค์ประกอบ" ที่ก่อตัวเกือบ 10 ล้านสารประกอบ จนถึงปัจจุบันรวมทั้งสารประกอบอินทรีย์ อนินทรีย์ และโลหะอินทรีย์

ไอโซโทปของคาร์บอนถูกใช้อย่างกว้างขวางสำหรับเรดิโอคาร์บอนเดท (คาร์บอน-14) โครงสร้างโมเลกุล และการวิจัยทางการแพทย์ (คาร์บอน-13) นอกจากนี้ เส้นใยคาร์บอนยังแสดงคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม และเป็นที่นิยมในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศและโยธา

คาร์บอนมีความแตกต่างกัน รูปแบบ allotropicpicด้วยโครงสร้างโมเลกุลและโครงสร้างอะตอมที่หลากหลาย คุณสมบัติทางกายภาพของคาร์บอนจะแตกต่างกันไปตามแต่ละ allotrope allotropes ของคาร์บอนที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด ได้แก่ กราไฟต์ เพชร และฟูลเลอรีน

กราไฟต์เป็นหนึ่งในวัสดุที่นุ่มที่สุดและใช้ในดินสอและเป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี ทำให้มีประโยชน์ในแบตเตอรี่และแผงโซลาร์เซลล์

กราฟีนเป็นเพียงชั้นอะตอมของกราไฟต์ที่จัดเรียงเป็นโครงรังผึ้ง ในชั้นกราฟีน อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมจะถูกพันธะโควาเลนต์กับอะตอมอื่นอีกสามอะตอม ทำให้อิเล็กตรอนตัวที่สี่มีอิสระที่จะย้ายในระนาบ ดังนั้นจึงเป็นการนำไฟฟ้า

ในทางตรงกันข้าม เพชรเป็นสารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่แข็งที่สุด และเป็นหนึ่งในคุณสมบัติเฉพาะของคาร์บอน มีความหนาแน่นเกือบสองเท่าของกราไฟต์ และอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมถูกผูกมัดแบบเตตระฮีดราลกับอีกสี่อะตอมโดยไม่มีอิเล็กตรอนไหลอิสระ ดังนั้นเพชรจึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี เพชรยังมีลักษณะใส ไม่เหมือนกราไฟต์ซึ่งทึบแสง

นักวิทยาศาสตร์ยังได้สังเคราะห์คาร์บอนอัลโลโทรปอื่นๆ เช่น ฟูลเลอรีน คาร์บอนนาโนโฟม และอื่นๆ พวกเขามีคุณสมบัติพิเศษและเป็นพื้นที่ของการวิจัยใน วัสดุนาโน. ฟูลเลอรีนเป็นกลุ่มของโมเลกุลคาร์บอนกลวงในรูปแบบกรงปิด (บัคกี้บอล) หรือรูปทรงกระบอก (ท่อนาโนคาร์บอน)

•••สร้างโดยใช้ ChemDraw

เดอะซี₆₀ บัคกี้บอลถูกค้นพบโดย Sir Harold Kroto, Richard Smalley และ Robert Curl Jr. โดยใช้เลเซอร์เพื่อทำให้แท่งกราไฟท์กลายเป็นไอในบรรยากาศฮีเลียม อะตอมของคาร์บอนถูกเชื่อมเข้าด้วยกันด้วยพันธะเดี่ยวและพันธะคู่เพื่อสร้างรูปหน้าห้าเหลี่ยม 12 หน้าและหกเหลี่ยม 20 หน้าในรูปลูกฟุตบอล ความพยายามในการบุกเบิกของพวกเขาทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1996

ท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งเป็นบัคกี้บอลรุ่นยาว ถูกระบุโดยอิจิมะ ซูมิโอะ เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ท่อนาโนคาร์บอนยังแสดงให้เห็นถึงความต้านทานแรงดึงที่น่าประทับใจและมีการใช้งานที่น่าตื่นเต้นในวัสดุโครงสร้างและยา อย่างไรก็ตาม การสังเคราะห์ที่มีการควบคุมของวัสดุนาโนดังกล่าวได้ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์

คาร์บอนเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบนโลก โดยมีสารประกอบที่ประกอบด้วยคาร์บอนหลายล้านชนิดซึ่งคิดเป็น 18 เปอร์เซ็นต์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ที่เสถียรกับอะตอมอื่นๆ และปรากฏเป็นสายโซ่ยาวหรือวงแหวนของพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่เชื่อมต่อถึงกันอย่างแน่นหนา สิ่งเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดความหลากหลายและความซับซ้อนของสารประกอบคาร์บอนที่มีอยู่บนโลก

เหล่านี้ สารประกอบคาร์บอน รวมถึงโมเลกุลอินทรีย์ เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และ DNA ที่พบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต เช่นเดียวกับสารประกอบอนินทรีย์ เช่น คาร์บอนออกไซด์ การศึกษาโมเลกุลอินทรีย์ถือเป็นสาขาวิชาเฉพาะที่เรียกว่าเคมีอินทรีย์ คาร์บอนยังสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์กับโลหะเป็นสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกได้ ตัวอย่าง Iron porphyrin ซึ่งเป็นแหล่งจับออกซิเจนของเฮโมโกลบิน

แม้จะมีความอุดมสมบูรณ์ในธรรมชาติ คาร์บอนก็ไม่เกิดปฏิกิริยาภายใต้สภาวะปกติ ที่อุณหภูมิมาตรฐาน จะไม่ทำปฏิกิริยากับกรด (กรดซัลฟิวริกหรือกรดไฮโดรคลอริก) หรือด่าง นอกจากนี้ยังมีความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมินี้ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม คาร์บอนสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างคาร์บอนออกไซด์ (CO₂ และ CO) ด้วยก๊าซซัลเฟอร์เพื่อสร้างคาร์บอนไดซัลไฟด์และด้วยซิลิกอนเพื่อสร้างคาร์ไบด์

มีไอโซโทปคาร์บอนที่รู้จัก 15 ไอโซโทป ซึ่งคาร์บอน -12 (98.93 เปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนธรรมชาติ) และคาร์บอน-13 (1.07 เปอร์เซ็นต์) เป็นไอโซโทปที่เสถียรสองไอโซโทป Carbon-14 เป็นไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุด โดยมีครึ่งชีวิต 5,730 ปี ไอโซโทปคาร์บอนอายุสั้นที่สุดคือคาร์บอน-8 และมีครึ่งชีวิต 1.98739 x 10⁻²¹ วินาที

ไอโซโทปคาร์บอน-14 แทนด้วย ¹⁴₆C โดยที่ presuperscript 14 คือมวลอะตอมและ presubscript 6 คือเลขอะตอม คาร์บอน-14 มีความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติต่ำมาก (0.0000000001 เปอร์เซ็นต์) แต่ครึ่งชีวิตที่ยาวนานทำให้มีประโยชน์สำหรับ การออกเดทแบบเรดิโอเมตริก.

คาร์บอน-14 เกิดขึ้นเมื่อไนโตรเจน-14 ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนจากรังสีคอสมิก ปล่อยโปรตอนในกระบวนการนี้ จากนั้นคาร์บอน-14 ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้าง ¹⁴CO₂ซึ่งกระจายอย่างทั่วถึงในชั้นบรรยากาศด้วย ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀น > ¹⁴₆C + ¹₁พี

วัฏจักรคาร์บอนเริ่มต้นเมื่อสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ (¹⁴CO₂ และ ¹²CO₂ จากชั้นบรรยากาศ) ไปเป็นสารประกอบอินทรีย์โดยการสังเคราะห์แสงและปล่อยกลับสู่บรรยากาศโดยการหายใจ ในสมดุลนี้มีอัตราส่วนคงที่ของ ¹⁴CO₂ และ ¹²CO₂ ในสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตาม เมื่อพวกมันตาย สมดุลจะหยุดลง และคาร์บอน-14 จะผ่านการสลายตัวของบีตาเป็นไนโตรเจน-14 ตามครึ่งชีวิต 5,730 ปีของมัน

¹⁴₆C > ¹⁴₇N + ⁰_-1อี

การวัดสัดส่วนสัมพัทธ์ของคาร์บอน-14 ในชิ้นงานที่ตายจึงช่วยให้สามารถคำนวณเวลาที่ผ่านไปหลังจากการตายได้ วิธีการหาคู่เรดิโอคาร์บอนนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการหาฟอสซิลและตัวอย่างทางโบราณคดีที่มีอายุระหว่าง 500 ถึง 50,000 ปี

Carbon-13 เป็นไอโซโทปอีกชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานต่างๆ ตัวอย่างเช่น มันถูกใช้ในนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) สำหรับกำหนดโครงสร้างโมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์ นอกจากนี้ยังใช้เป็นเครื่องมือในการติดฉลากร่วมกับแมสสเปกโตรมิเตอร์สำหรับการวิจัยทางการแพทย์

คาร์บอนยังแสดงคุณสมบัติทางกลที่มีประโยชน์ นอกเหนือจากคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และนิวเคลียร์

มันสามารถสร้าง โลหะผสม ด้วยเหล็กกล้าเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนซึ่งมีปริมาณคาร์บอนแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0.05 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (คาร์บอน 0.3-0.6 เปอร์เซ็นต์) มีความแข็งแรงและความเหนียวที่สมดุล รวมถึงความต้านทานแรงดึงที่ดีเยี่ยม ผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน เหล็กกล้าคาร์บอนสูงพิเศษ (คาร์บอน 1.25-2 เปอร์เซ็นต์) สามารถปรับให้มีความแข็งสูงและใช้สำหรับการผลิตมีดได้

เส้นใยคาร์บอนซึ่งมีเส้นใยหนา 5 ถึง 10 ไมโครเมตรประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ แสดงให้เห็นสูง ความแข็ง ความต้านทานแรงดึง ทนต่อสารเคมี ทนต่ออุณหภูมิและน้ำหนักเบาและความร้อน การขยาย. ความแข็งแรงของผลผลิตเหล็กขึ้นอยู่กับเกรด และเหล็กอ่อนมีความแข็งแรงของผลผลิตที่ 247 MPa เส้นใยคาร์บอนมี ความต้านทานแรงดึงตั้งแต่ 1,600 ถึง 6,370 MPa จึงเป็นที่นิยมในด้านการบินและอวกาศ วิศวกรรมโยธา และ กีฬา

เมื่อเกิดความเค้นขึ้นบนวัสดุ วัสดุนั้นจะบิดเบี้ยวอย่างยืดหยุ่นในตอนแรก ในขั้นตอนนี้ สามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อขจัดความเครียดออกไป ความแข็งแรงของผลผลิต ถูกกำหนดให้เป็นความเค้นที่วัสดุสามารถทนต่อได้โดยไม่มีการเสียรูปถาวร

เมื่อถึงจุด (จุดครากบน) ซึ่งไม่สามารถกลับสู่ขนาดเดิมได้อีกต่อไป จะเกิดการเสียรูปพลาสติกซึ่งเป็นแบบถาวรและไม่สามารถย้อนกลับได้ ความต้านทานแรงดึงคือค่าความแข็งแรงสูงสุดที่วัสดุสามารถทนต่อได้โดยไม่เกิดการชำรุดหรือแตกหัก