Karbonun Dört Özelliği

Karbon, kimyasal sembolü C olan metalik olmayan bir elementtir. Evrende en bol bulunan dördüncü element ve yerkabuğunda en bol bulunan 15. elementtir. Aynı zamanda insanlarda oksijenden sonra en bol bulunan ikinci elementtir. Kimyasal yapısı, karbonun birkaç benzersiz özelliğine yol açar.

Karbon, periyodik tablonun 14. Grubuna aittir. Atom numarası 6 ve atom ağırlığı 12.011'dir. Karbonun oksidasyon durumları, metan ve karbon disülfür gibi bileşiklerde +4 ve karbon monoksit için +2 olmak üzere -4 ila +4 arasında değişebilir.

Farklı karbon allotroplarının fiziksel özellikleri, onları piller, elektronikler ve nanomalzemelerde faydalı kılar. Karbon aynı zamanda neredeyse oluşturan "elementlerin kralı" dır. 10 milyon bileşik organik, inorganik ve organometalik bileşikler dahil bugüne kadar.

Karbon izotopları, radyokarbon tarihleme (karbon-14), moleküler yapı ve tıbbi araştırmalar (karbon-13) için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ek olarak, karbon fiberler mükemmel mekanik özellikler gösterir ve havacılık ve inşaat mühendisliğinde popülerdir.

Karbonun farklı allotropik formlar, çeşitli moleküler konfigürasyonlar ve atomik yapılar ile. Karbonun fiziksel özellikleri, her allotropa göre büyük ölçüde değişir. En iyi bilinen karbon allotroplarından bazıları grafit, elmas ve fullerenler içerir.

Grafit, bilinen en yumuşak malzemelerden biridir ve kurşun kalemlerde ve katı yağlayıcı olarak kullanılır. Aynı zamanda iyi bir elektrik iletkenidir ve pillerde ve güneş panellerinde faydalı olmasını sağlar.

Grafen, bir petek kafes içinde düzenlenmiş basit bir atomik grafit tabakasıdır. Bir grafen tabakasında, her bir karbon atomu diğer üç atoma kovalent olarak bağlanır ve dördüncü elektronu düzlemde göç etmek için serbest bırakır, dolayısıyla elektrik iletkenliği.

Elmas ise tam tersine, doğal olarak oluşan en sert maddedir ve karbonun benzersiz özelliklerinden biridir. Grafitin yoğunluğunun neredeyse iki katıdır ve her bir karbon atomu, serbest akışlı elektronları olmayan diğer dört karbon atomuna tetrahedral olarak bağlanmıştır. Bu nedenle elmas zayıf bir elektrik iletkenidir. Elmas, opak olan grafitten farklı olarak görünüşte de açıktır.

Bilim adamları ayrıca fullerenler, karbon nano köpükler ve diğerleri gibi diğer karbon allotroplarını da sentezlediler. Özel özelliklere sahiptirler ve gelişen bir araştırma alanı oluştururlar. nanomalzemeler. Fullerenler, kapalı bir kafes (buckyball) veya silindir (karbon nanotüpler) konformasyonunda bir grup içi boş karbon molekülüdür.

•••ChemDraw kullanılarak oluşturuldu

C₆₀ buckyball, Sir Harold Kroto, Richard Smalley ve Robert Curl Jr. tarafından, bir lazer kullanılarak grafit çubukları helyum atmosferinde buharlaştırmak için keşfedildi. Karbon atomları, bir futbol topu şeklinde 12 beşgen ve 20 altıgen yüz oluşturmak için tekli ve çiftli bağlarla birleştirilir. Öncü çabaları onlara 1996'da Nobel Ödülü kazandırdı.

Buckyball'ların uzun versiyonları olan karbon nanotüpler, Iijima Sumio tarafından tanımlandı. Isı ve elektriği mükemmel iletirler ve elektronik için kullanışlıdırlar.

Karbon nanotüpler ayrıca etkileyici bir gerilme mukavemeti sergiler ve yapısal malzemeler ve tıpta heyecan verici uygulamalara sahiptir. Bununla birlikte, bu tür nanomalzemelerin kontrollü sentezi bilim adamları için büyük bir zorluk teşkil etmiştir.

Karbon, tüm canlıların yüzde 18'ini oluşturan milyonlarca karbon içeren bileşikle Dünya'daki yaşamın temelini oluşturur. Diğer atomlarla kararlı, kovalent bağlar oluşturabilir ve uzun zincirler veya birbirine bağlı güçlü karbon-karbon bağlarından oluşan halkalar olarak görünebilir. Bunlar, Dünya'da bulunan karbon bileşiklerinin çeşitliliğine ve karmaşıklığına katkıda bulunur.

Bunlar karbon bileşikleri canlı organizmaların hücrelerinde bulunan proteinler, karbonhidratlar ve DNA gibi organik moleküllerin yanı sıra karbon oksitler gibi inorganik bileşikleri içerir. Organik moleküllerin incelenmesi, organik kimya adı verilen özel bir alanı oluşturur. Karbon ayrıca organometalik bileşikler olarak metal ile kovalent bağlar oluşturabilir. Hemoglobinin oksijen bağlama bölgesi olan demir porfirin buna bir örnektir.

Doğada bol miktarda bulunmasına rağmen, karbon normal koşullar altında nispeten reaktif değildir. Standart sıcaklıkta asitlere (sülfürik asit veya hidroklorik asit) veya alkalilere karşı reaktif değildir. Bu sıcaklıkta oksidasyona karşı da kararlıdır. Ancak daha yüksek sıcaklıklarda karbon, oksijenle reaksiyona girerek karbon oksitler (CO2) oluşturabilir.₂ ve CO), karbon disülfid oluşturmak için kükürt gazı ve karbürler oluşturmak için silikon ile.

Bilinen 15 karbon izotopu vardır; bunlardan karbon-12 (doğal karbonun yüzde 98.93'ü) ve karbon-13 (yüzde 1.07) iki kararlı izotoptur. Karbon-14, 5.730 yıllık yarı ömrü ile en uzun ömürlü izotoptur. En kısa ömürlü karbon izotopu karbon-8'dir ve yarılanma ömrü 1.98739 x 10'dur.⁻²¹ saniye.

İzotop karbon-14 ile temsil edilir ¹⁴₆C, burada üst simge 14 atom kütlesidir ve ön simge 6 atom numarasıdır. Karbon-14'ün doğal bolluğu çok düşüktür (yüzde 0.0000000001), ancak uzun yarı ömrü, onu radyometrik tarihleme.

Karbon-14, nitrojen-14, kozmik radyasyondan gelen nötronlarla reaksiyona girerek bu süreçte bir proton saldığında oluşur. Karbon-14 daha sonra üretmek için oksijen ile reaksiyona girer. ¹⁴CO₂ile atmosferde eşit olarak dağılan ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n > ¹⁴₆C + ¹₁p

Karbon döngüsü, canlı organizmalar karbondioksiti dönüştürdüğünde başlar (¹⁴CO₂ ve ¹²CO₂ atmosferden) fotosentez yoluyla organik bileşiklere dönüştürür ve solunum yoluyla atmosfere geri verir. Bu dengede sabit bir oran vardır. ¹⁴CO₂ ve ¹²CO₂ organizmalarda. Ancak öldüklerinde denge durur ve karbon-14, 5.730 yıllık yarı ömrüne göre nitrojen-14'e beta bozunmasına uğrar.

¹⁴₆C > ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Ölü bir numunede karbon-14'ün nispi oranının ölçümü, bu nedenle, ölümünden sonra geçen sürenin hesaplanmasına izin verir. Bu radyokarbon tarihleme yöntemi, 500 ila 50.000 yıllık fosillerin ve arkeolojik örneklerin tarihlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Karbon-13, birçok uygulamada yaygın olarak kullanılan başka bir izotoptur. Örneğin, organik bileşiklerin moleküler yapılarını belirlemek için nükleer manyetik rezonansta (NMR) kullanılır. Ayrıca tıbbi araştırmalar için bir kütle spektrometresi ile birlikte bir etiketleme aracı olarak kullanılır.

Karbon, fiziksel, kimyasal ve nükleer özelliklerinden başka faydalı mekanik özellikler de sergiler.

oluşturabilir alaşımlar karbon içeriği ağırlıkça yüzde 0,05 ila 2 arasında değişen karbon çeliğine dönüştürülür. Orta karbonlu çelik (yüzde 0,3-0,6 karbon), dengeli mukavemet ve sünekliğin yanı sıra mükemmel gerilme mukavemetine sahiptir. Bir ısıl işlem süreciyle, ultra yüksek karbonlu çelik (yüzde 1,25-2 karbon) yüksek sertlikte tavlanabilir ve bıçak imalatında kullanılabilir.

Çoğunlukla karbon atomlarından oluşan 5 ila 10 µm kalınlığındaki lifler olan karbon lifleri, yüksek sertlik, gerilme mukavemeti, kimyasal direnç, sıcaklık toleransı ve düşük ağırlık ve termal genişleme. Çeliğin akma dayanımı, kalitesine bağlıdır ve yumuşak çeliğin akma dayanımı 247 MPa'dır. Karbon lifleri 1.600 ila 6.370 MPa arasında değişen çekme mukavemetleri ve bu nedenle havacılık, inşaat mühendisliği ve Spor Dalları.

Bir malzemeye bir gerilim uygulandığında, ilk başta elastik olarak deforme olur. Bu aşamada stres ortadan kalktığında eski şekline dönebilir. Akma dayanımı kalıcı deformasyon olmadan bir malzemenin dayanabileceği stres olarak tanımlanır.

Artık eski boyutlarına dönemeyecek bir noktaya (üst akma noktası) ulaştığında, kalıcı ve geri dönüşü olmayan plastik deformasyona uğrar. Çekme mukavemeti, bir malzemenin bozulmadan veya kırılmadan dayanabileceği maksimum mukavemettir.