Вуглець - неметалевий елемент з хімічним символом C. Це четвертий за поширеністю елемент у Всесвіті та 15-й за кількістю елементів у земній корі. Це також другий за кількістю елементів в організмі після кисню. Його хімічний склад призводить до кількох унікальних властивостей вуглецю.
Вуглець належить до групи 14 періодичної системи. Його атомний номер дорівнює 6, а атомна вага - 12,011. Ступінь окиснення вуглецю може варіюватися від -4 до +4, де +4 існує в таких сполуках, як метан та дисульфід вуглецю, і +2 для оксиду вуглецю.
Фізичні властивості різних вуглецевих алотропів роблять їх корисними в батареях, електроніці та наноматеріалах. Вуглець також є "королем стихій", формуючи майже 10 мільйонів сполук на сьогоднішній день, включаючи органічні, неорганічні та металоорганічні сполуки.
Ізотопи вуглецю широко використовуються для радіовуглецевого датування (вуглець-14), молекулярної структури та медичних досліджень (вуглець-13). Крім того, вуглецеві волокна демонструють чудові механічні властивості і популярні в аерокосмічній та цивільній техніці.
Алотропи вуглецю
Вуглець має різне алотропні форми, з різноманітними молекулярними конфігураціями та атомними структурами. Фізичні властивості вуглецю сильно різняться залежно від кожного алотропа. Деякі з найбільш відомих алотропів вуглецю включають графіт, алмаз та фулерени.
Графіт є одним з найм'якших відомих матеріалів і використовується в олівцях і як тверда мастило. Це також хороший провідник електрики, що робить його корисним для батарей та сонячних батарей.
Графен - це просто один атомний шар графіту, розміщений у сотовій решітці. У шарі графена кожен атом вуглецю пов'язаний ковалентно з трьома іншими атомами, залишаючи четвертий електрон вільним для міграції в площині, отже, і його електропровідність.
Алмаз, навпаки, є найтвердішою речовиною, що зустрічається в природі, і є однією з унікальних властивостей вуглецю. Він має майже вдвічі більшу щільність графіту, і кожен атом вуглецю зв’язаний тетраедрично з чотирма іншими без вільних течій електронів. Таким чином, алмаз є поганим провідником електрики. Алмаз також прозорий на вигляд, на відміну від графіту, який є непрозорим.
Вчені також синтезували інші алотропи вуглецю, такі як фулерени, вуглецеві нанопіни та інші. Вони мають особливі властивості і становлять квітучу область досліджень в Росії наноматеріали. Фулерени - це група порожнистих молекул вуглецю в закритій клітці (бакібол) або циліндрі (вуглецеві нанотрубки).
•••Створено за допомогою ChemDraw
C60 Бакібол був відкритий сером Гарольдом Крото, Річардом Смоллі та Робертом Керлом-молодшим за допомогою лазера для випаровування графітових стрижнів в атмосфері гелію. Атоми Карбону з'єднані між собою одинарними та подвійними зв'язками, утворюючи 12 п'ятикутних та 20 шестикутних граней у формі футбольного м'яча. Їхні новаторські зусилля принесли їм Нобелівську премію в 1996 році.
Вуглецеві нанотрубки, які є подовженими версіями бакіболів, були ідентифіковані Іідзіма Суміо. Вони є чудовими провідниками тепла та електрики та корисні для електроніки.
Вуглецеві нанотрубки також демонструють вражаючу міцність на розрив і мають захоплююче застосування в конструкційних матеріалах та медицині. Однак контрольований синтез таких наноматеріалів поставив перед науковцями велику проблему.
Хімічна реактивність вуглецю
Вуглець становить основу життя на Землі, мільйони вуглецевмісних сполук складають 18 відсотків всього живого. Він може утворювати стійкі ковалентні зв’язки з іншими атомами і виглядати у вигляді довгих ланцюгів або кілець міцних взаємопов’язаних вуглець-вуглецевих зв’язків. Вони сприяють різноманітності та складності сполук вуглецю, що існують на Землі.
Ці сполуки вуглецю включають органічні молекули, такі як білки, вуглеводи та ДНК, що знаходяться в клітинах живих організмів, а також неорганічні сполуки, такі як оксиди вуглецю. Вивчення органічних молекул становить спеціалізовану область, яка називається органічною хімією. Вуглець також може утворювати ковалентні зв’язки з металом як металоорганічні сполуки. Таким прикладом є порфірин заліза, який є місцем зв’язування кисню гемоглобіну.
Незважаючи на його велику кількість у природі, вуглець відносно не реагує в звичайних умовах. При стандартній температурі він не реагує на кислоти (сірчану або соляну кислоти) або луги. Він також стійкий до окислення при цій температурі. Однак при більш високих температурах вуглець може реагувати з киснем, утворюючи оксиди вуглецю (CO2 і CO), з сірчаним газом з утворенням сірководню та з кремнієм - з утворенням карбідів.
Ізотопи вуглецю
Відомо 15 ізотопів вуглецю, з яких вуглець-12 (98,93% природного вуглецю) та вуглець-13 (1,07%) є двома стабільними ізотопами. Вуглець-14 - найдовший ізотоп із періодом напіввиведення 5730 років. Найбільш короткоживучим ізотопом вуглецю є вуглець-8, і період його напіврозпаду становить 1,98739 х 10−21 секунд.
Ізотоп вуглець-14 представлений 146C, де предескрипт 14 - атомна маса, а прескрипт 6 - атомний номер. Вуглець-14 має дуже низький природний вміст (0,0000000001 відсотка), але його тривалий період напіввиведення робить його корисним для радіометричне датування.
Вуглець-14 утворюється, коли азот-14 реагує з нейтронами від космічного випромінювання, виділяючи в цьому процесі протон. Потім вуглець-14 реагує з киснем для утворення 14CO2, яка рівномірно розподіляється в атмосфері с 12CO2.
147N + 10n> 146C + 11стор
Цикл вуглецю починається, коли живі організми перетворюють вуглекислий газ (14CO2 і 12CO2 з атмосфери) в органічні сполуки шляхом фотосинтезу і викидати його назад в атмосферу диханням. У цій рівновазі існує фіксоване співвідношення 14CO2 і 12CO2 в організмах. Однак, коли вони гинуть, рівновага припиняється, і вуглець-14 зазнає бета-розпаду до азоту-14 відповідно до свого періоду напіввиведення 5730 років.
146C> 147N + 0-1e
Вимірювання відносної частки вуглецю-14 у мертвому зразку дозволяє обчислити час, що минув після його загибелі. Цей метод радіовуглецевого датування широко застосовувався для датування копалин та археологічних зразків віком від 500 до 50 000 років.
Вуглець-13 - ще один ізотоп, який широко використовується у багатьох додатках. Наприклад, він використовується в ядерному магнітному резонансі (ЯМР) для визначення молекулярних структур органічних сполук. Він також використовується як інструмент маркування у поєднанні з мас-спектрометром для медичних досліджень.
Механічні властивості вуглецевих волокон
Вуглець також має корисні механічні властивості, крім фізичних, хімічних та ядерних властивостей.
Він може сформуватися сплави зі сталлю у вуглецеву сталь, вміст вуглецю якої коливається від 0,05 до 2 відсотків за вагою. Середньовуглецева сталь (0,3-0,6% вуглецю) має збалансовану міцність і пластичність, а також чудову міцність на розрив. За допомогою процесу термічної обробки сталь з надвисоким вмістом вуглецю (1,25-2 відсотки вуглецю) може бути загартована до великої твердості та використана для виготовлення ножів.
Вуглецеві волокна, які мають товщину волокон від 5 до 10 мкм, що складаються переважно з атомів вуглецю, демонструють високий рівень жорсткість, міцність при розтягуванні, хімічна стійкість, толерантність до температури і низька вага і термічна розширення. Межа текучості сталі залежить від її марки, а м'яка сталь має межа текучості 247 МПа. Вуглецеві волокна мають міцність на розрив від 1600 до 6 370 МПа і тому популярна в галузі аерокосмічної галузі, цивільного будівництва та спорт.
Коли на матеріал робиться напруга, він спочатку пружно деформується. На цьому етапі він може повернутися до своєї первісної форми після зняття напруги. Межа текучості визначається як напруга, яку матеріал може витримати без постійних деформацій.
Коли він досягає точки (верхньої межі текучості), коли він вже не може повернутися до своїх початкових розмірів, він зазнає пластичної деформації, яка є постійною і незворотною. Міцність на розрив - це максимальна міцність, яку матеріал може витримати, не зазнавши руйнувань та руйнувань.