Τέσσερα χαρακτηριστικά του άνθρακα

Ο άνθρακας είναι ένα μη μεταλλικό στοιχείο με χημικό σύμβολο C. Είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν και το 15ο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης. Είναι επίσης το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον άνθρωπο μετά το οξυγόνο. Η χημική του σύνθεση οδηγεί σε πολλές μοναδικές ιδιότητες του άνθρακα.

Ο άνθρακας ανήκει στην ομάδα 14 του περιοδικού πίνακα. Ο ατομικός του αριθμός είναι 6 και έχει ατομικό βάρος 12,011. Οι καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα μπορεί να ποικίλουν από -4 έως +4, όπου +4 υπάρχει σε ενώσεις όπως το μεθάνιο και ο δισουλφίδιο του άνθρακα και +2 για το μονοξείδιο του άνθρακα.

Οι φυσικές ιδιότητες των διαφορετικών αλλοτροπών άνθρακα τα καθιστούν χρήσιμα σε μπαταρίες, ηλεκτρονικά και νανοϋλικά. Ο άνθρακας είναι επίσης ο «βασιλιάς των στοιχείων», σχηματίζοντας σχεδόν 10 εκατομμύρια ενώσεις μέχρι σήμερα, συμπεριλαμβανομένων οργανικών, ανόργανων και οργανομεταλλικών ενώσεων.

Τα ισότοπα άνθρακα χρησιμοποιούνται εκτενώς για χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα (άνθρακας-14), μοριακή δομή και ιατρική έρευνα (άνθρακας-13). Επιπλέον, οι ίνες άνθρακα παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και είναι δημοφιλείς στην αεροδιαστημική και την πολιτική μηχανική.

Allotropes of Carbon

Ο άνθρακας έχει διαφορετικές αλλοτροπικές μορφές , με ποικίλες μοριακές διαμορφώσεις και ατομικές δομές. Οι φυσικές ιδιότητες του άνθρακα ποικίλλουν πολύ με κάθε αλλοτρόπιο. Μερικά από τα πιο γνωστά αλλοτρόπα του άνθρακα περιλαμβάνουν γραφίτη, διαμάντι και φουλερένια.

Ο γραφίτης είναι ένα από τα πιο μαλακά γνωστά υλικά και χρησιμοποιείται σε μολύβια και ως στερεό λιπαντικό. Είναι επίσης καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, καθιστώντας το χρήσιμο σε μπαταρίες και ηλιακούς συλλέκτες.

Το γραφένιο είναι απλώς ένα ατομικό στρώμα γραφίτη διατεταγμένο σε ένα κυψελωτό πλέγμα. Σε ένα στρώμα γραφενίου, κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται ομοιοπολικά με τρία άλλα άτομα, αφήνοντας το τέταρτο ηλεκτρόνιο ελεύθερο να μεταναστεύσει στο επίπεδο, εξ ου και η ηλεκτρική του αγωγιμότητα.

Το διαμάντι, αντίθετα, είναι η πιο σκληρή ουσία που απαντάται στη φύση και είναι μια από τις μοναδικές ιδιότητες του άνθρακα. Έχει σχεδόν διπλάσια πυκνότητα από τον γραφίτη και κάθε άτομο άνθρακα είναι συνδεδεμένο τετραεδρικά με τέσσερα άλλα χωρίς ηλεκτρόνια ελεύθερης ροής. Έτσι το διαμάντι είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού. Το διαμάντι είναι επίσης καθαρό στην εμφάνιση, σε αντίθεση με τον γραφίτη, ο οποίος είναι αδιαφανής.

Οι επιστήμονες έχουν επίσης συνθέσει άλλα αλλότροπα του άνθρακα, όπως φουλερένια, νανοαφρούς άνθρακα και άλλα. Διαθέτουν ειδικές ιδιότητες και αποτελούν έναν ανθισμένο τομέα έρευνας στα νανοϋλικά . Τα φουλερένια είναι μια ομάδα κοίλων μορίων άνθρακα σε διαμόρφωση κλειστού κλωβού (buckyball) ή κυλίνδρου (νανοσωλήνες άνθρακα).

Το C₆₀ Το buckyball ανακαλύφθηκε από τους Sir Harold Kroto, Richard Smalley και Robert Curl Jr., χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ για την εξάτμιση ράβδων γραφίτη σε ατμόσφαιρα ηλίου. Τα άτομα άνθρακα ενώνονται μεταξύ τους με απλούς και διπλούς δεσμούς για να σχηματίσουν 12 πενταγωνικές και 20 εξαγωνικές όψεις σε σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Οι πρωτοποριακές προσπάθειές τους τους κέρδισαν το Νόμπελ το 1996.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι είναι επιμήκεις εκδοχές των buckyballs, αναγνωρίστηκαν από τον Iijima Sumio. Είναι εξαιρετικοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού και είναι χρήσιμοι για ηλεκτρονικά.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα επιδεικνύουν επίσης εντυπωσιακή αντοχή σε εφελκυσμό και έχουν συναρπαστικές εφαρμογές σε δομικά υλικά και ιατρική. Ωστόσο, η ελεγχόμενη σύνθεση τέτοιων νανοϋλικών έχει θέσει μια μεγάλη πρόκληση για τους επιστήμονες.

Χημική αντιδραστικότητα του άνθρακα

Ο άνθρακας αποτελεί τη βάση της ζωής στη Γη, με εκατομμύρια ενώσεις που περιέχουν άνθρακα να αποτελούν το 18 τοις εκατό όλων των ζωντανών όντων. Μπορεί να σχηματίσει σταθερούς, ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα άτομα και να εμφανίζεται ως μακριές αλυσίδες ή δακτύλιοι ισχυρών διασυνδεόμενων δεσμών άνθρακα-άνθρακα. Αυτά συμβάλλουν στην ποικιλομορφία και την πολυπλοκότητα των ενώσεων άνθρακα που υπάρχουν στη Γη.

Αυτές οι ενώσεις άνθρακα περιλαμβάνουν οργανικά μόρια όπως πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και DNA που βρίσκονται στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών καθώς και ανόργανες ενώσεις όπως οξείδια του άνθρακα. Η μελέτη των οργανικών μορίων αποτελεί ένα εξειδικευμένο πεδίο που ονομάζεται οργανική χημεία. Ο άνθρακας μπορεί επίσης να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με το μέταλλο ως οργανομεταλλικές ενώσεις. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η πορφυρίνη σιδήρου, η οποία είναι η θέση δέσμευσης οξυγόνου της αιμοσφαιρίνης.

Παρά την αφθονία του στη φύση, ο άνθρακας είναι σχετικά μη αντιδραστικός υπό κανονικές συνθήκες. Σε τυπική θερμοκρασία, δεν αντιδρά σε οξέα (θειικό οξύ ή υδροχλωρικό οξύ) ή αλκάλια. Είναι επίσης σταθερό στην οξείδωση σε αυτή τη θερμοκρασία. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ωστόσο, ο άνθρακας μπορεί να αντιδράσει με το οξυγόνο για να σχηματίσει οξείδια του άνθρακα (CO₂ και CO), με αέριο θείο για το σχηματισμό διθειάνθρακα και με πυρίτιο για σχηματισμό καρβιδίων.

Ισότοπα άνθρακα

Υπάρχουν 15 γνωστά ισότοπα άνθρακα, εκ των οποίων ο άνθρακας-12 (98,93 τοις εκατό του φυσικού άνθρακα) και ο άνθρακας-13 (1,07 τοις εκατό) είναι τα δύο σταθερά ισότοπα. Ο άνθρακας-14 είναι το μακροβιότερο ισότοπο, με χρόνο ημιζωής 5.730 χρόνια. Το ισότοπο άνθρακα με τη μικρότερη διάρκεια ζωής είναι ο άνθρακας-8 και έχει χρόνο ημιζωής 1,98739 x 10 δευτερόλεπτα.

Το ισότοπο άνθρακα-14 αντιπροσωπεύεται από ₆ C, όπου ο προκαθορισμός 14 είναι η ατομική μάζα και ο προκαθορισμένος αριθμός 6 είναι ο ατομικός αριθμός. Ο άνθρακας-14 έχει πολύ χαμηλή φυσική αφθονία (0,0000000001 τοις εκατό), αλλά ο μεγάλος χρόνος ημιζωής του τον καθιστά χρήσιμο για ραδιομετρική χρονολόγηση .

Ο άνθρακας-14 σχηματίζεται όταν το άζωτο-14 αντιδρά με νετρόνια από την κοσμική ακτινοβολία, απελευθερώνοντας ένα πρωτόνιο σε αυτή τη διαδικασία. Στη συνέχεια, ο άνθρακας-14 αντιδρά με το οξυγόνο για να δημιουργήσει CO₂ , το οποίο κατανέμεται ομοιόμορφα στην ατμόσφαιρα με CO_2.

₇ N + ₀ n -------------> ₆ C + ₁ p

Ο κύκλος του άνθρακα ξεκινά όταν οι ζωντανοί οργανισμοί μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ και CO₂ από την ατμόσφαιρα) σε οργανικές ενώσεις με φωτοσύνθεση και την απελευθερώνουν πίσω στην ατμόσφαιρα με την αναπνοή. Σε αυτή την ισορροπία, υπάρχει μια σταθερή αναλογία CO₂ και CO₂ στους οργανισμούς. Ωστόσο, όταν πεθαίνουν, η ισορροπία σταματά και ο άνθρακας-14 υφίσταται βήτα διάσπαση στο άζωτο-14 σύμφωνα με τον χρόνο ημιζωής 5.730 ετών.

₆ Γ -------------> ₇ N + _-1 e

Η μέτρηση της σχετικής αναλογίας άνθρακα-14 σε ένα νεκρό δείγμα επιτρέπει έτσι τον υπολογισμό του χρόνου που έχει περάσει μετά το θάνατό του. Αυτή η μέθοδος χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη χρονολόγηση απολιθωμάτων και αρχαιολογικών δειγμάτων ηλικίας 500 έως 50.000 ετών.

Ο άνθρακας-13 είναι ένα άλλο ισότοπο που χρησιμοποιείται εκτενώς σε πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) για τον προσδιορισμό των μοριακών δομών οργανικών ενώσεων. Χρησιμοποιείται επίσης ως εργαλείο σήμανσης σε συνδυασμό με φασματόμετρο μάζας για ιατρική έρευνα.

Μηχανικές ιδιότητες των ινών άνθρακα

Ο άνθρακας παρουσιάζει επίσης χρήσιμες μηχανικές ιδιότητες, εκτός από τις φυσικές, χημικές και πυρηνικές του ιδιότητες.

Μπορεί να σχηματίσει κράματα με χάλυβα σε ανθρακούχο χάλυβα, του οποίου η περιεκτικότητα σε άνθρακα κυμαίνεται από 0,05 έως 2 τοις εκατό κατά βάρος. Ο χάλυβας μεσαίου άνθρακα (0,3-0,6 τοις εκατό άνθρακα) έχει ισορροπημένη αντοχή και ολκιμότητα, καθώς και εξαιρετική αντοχή σε εφελκυσμό. Μέσω μιας διαδικασίας θερμικής επεξεργασίας, ο χάλυβας εξαιρετικά υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (1,25-2 τοις εκατό άνθρακα) μπορεί να σκληρυνθεί σε μεγάλη σκληρότητα και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μαχαιριών.

Οι ίνες άνθρακα, οι οποίες είναι ίνες πάχους 5 έως 10 μm που αποτελούνται κυρίως από άτομα άνθρακα, παρουσιάζουν υψηλή ακαμψία, αντοχή σε εφελκυσμό, χημική αντοχή, αντοχή στη θερμοκρασία και χαμηλό βάρος και θερμική διαστολή. Η αντοχή διαρροής του χάλυβα εξαρτάται από την ποιότητά του και ο μαλακός χάλυβας έχει αντοχή διαρροής 247 MPa. Οι ίνες άνθρακα έχουν αντοχές εφελκυσμού που κυμαίνονται από 1.600 έως 6.370 MPa και ως εκ τούτου είναι δημοφιλείς στον τομέα της αεροδιαστημικής, της πολιτικής μηχανικής και του αθλητισμού.

Όταν ασκείται πίεση σε ένα υλικό, στην αρχή παραμορφώνεται ελαστικά. Σε αυτό το στάδιο, μπορεί να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα όταν αφαιρεθεί η πίεση. Ισχύς απόδοσης ορίζεται ως η τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς μόνιμη παραμόρφωση.

Όταν φτάσει σε ένα σημείο (ανώτερο σημείο διαρροής) που δεν μπορεί πλέον να επιστρέψει στις αρχικές του διαστάσεις, υφίσταται πλαστική παραμόρφωση, η οποία είναι μόνιμη και μη αναστρέψιμη. Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι η μέγιστη αντοχή που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς να χαλάσει ή να σπάσει.