Углерод

Углерод

Углерод-это невероятный элемент. Расположить атомы углерода в одну сторону, и они становятся мягкими, податливее графита.

Переустановите расположение, и — престо! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.

Углерод также является ключевым компонентом для большей части жизни на Земле; пигмент, который сделал первые рисунки; и основой для технологических чудес, таких как графен, который является материалом, более сильным, чем сталь, и более гибким, чем резина. [См. Периодическую таблицу элементов].

Углерод встречается в природе как углерод-12, что составляет почти 99% углерода во Вселенной; углерод-13, что составляет около 1%, а углерода-14, что составляет незначительную сумму от общего углерода, а это очень важно в знакомствах органических объектов.

Интересные факты о Углероде
Интересные факты о Углероде

Свойства углерода

Углерод является уникальным по своим свойствам, поскольку он образует ряд компонентов выше, чем общее добавление всех других элементов в сочетании друг с другом.

Физические и химические свойства углерода зависят от кристаллической структуры элемента.

Свойства углерода
Свойства углерода
  • Атомный номер (число протонов в ядре): 6
  • Атомный символ (на периодической таблице элементов): с
  • Атомная масса (средняя масса атома): 12.0107
  • Плотность: 2.2670 граммов на кубический сантиметр
  • Фазы при комнатной температуре: Твердый
  • Точка плавления: 6,422 градусов по Фаренгейту (3,550 градусов C)
  • Точка кипения: 6,872 Ф (3,800 с) (сублимации)
  • Количество изотопов: 15 общий; двух стабильных изотопов, в которых расположены атомы одного элемента с разным количеством нейтронов.
  • Наиболее распространенных изотопов: углерода-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерода-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)
  • Радиус Vanderwaals 0.091 нм
  • Ионный радиус 0.26 нм (-4) ; 0,015 нм (+4)
  • Изотопы 3
  • Электронные оболочки [ Он ] с 2S22
  • Энергия первой ионизации 1086.1 кДж.моль -1
  • Энергия второй ионизации 2351.9 кДж.моль -1
  • Энергия третьего ионизации 4618.8 кДж.моль -1




Углерод: от звезд к жизни

Согласно шестому по численности числу элементов во Вселенной, углерод образуется в внутри звезд в реакции, называемой тройным альфа-процессом, согласно Центру астрофизики.

В старых звездах, которые сжигали большую часть своего водорода, сохраняется оставшийся гелий. Каждое ядро гелия имеет два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100 000 000 Кельв. (179,999,540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала как пары в неустойчивые 4-протонные бериллиевые ядра, а в конечном итоге, по мере того, как появляются достаточное количество ядер бериллий, в бериллий и гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углеродом.

Углерод — производитель шаблонов. Он может связываться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он может также связываться с четырьмя другими атомами из-за его расположения электронов. Атомы расположены как ядро, окруженное электронным облаком, причем электроны движутся вокруг на разных расстояниях от ядра. Согласно данным Университета Калифорнии Дэвис, химики понимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.

У углерода есть две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из возможных восьми пространств. Когда атомы связаны, они делят электроны в их внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства в своей внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим числом атомов путем образования двойных и тройных связей).

Другими словами, у углерода есть варианты. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и ученые считают, что углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений. Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что это имеет решающее значение почти для всей жизни.

Углерод в организмах

Открытие углерода уходит в историю. Элемент был известен доисторическим людям в форме древесного угля. По словам Всемирной ассоциации угля, углерод как уголь по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, еще одна форма углерода, является обычной промышленной смазкой.

Углерод-14 представляет собой радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для современных организмов и останков. Углерод-14 естественным образом встречается в атмосфере. По словам Университета штата Колорадо, растения принимают его в дыхании, в котором они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Живые организмы включают углерод-14 в свои тела, употребляя в пищу растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.

Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает на некогда живых организмах, включая предметы из дерева или другого растительного материала.



Интересные факты о Углероде

Углерод получает свое название от латинского слова carbo, что означает уголь.

Интересные факты о Углероде
Интересные факты о Углероде
  • Бриллианты и графит являются одними из самых твердых и самых мягких природных материалов, известных, соответственно. Единственная разница между ними — их кристаллическая структура.
  • Согласно Энциклопедии Земли, углерод составляет 0,032 процента земной литосферы (коры и внешней мантии). Грубая оценка веса литосферы геологом Университета Ла Сальла Дэвидом Смитом составляет 300 000 000 000 000 000 000 000 (или 3 * 10 ^ 23) фунтов, что делает приблизительный вес углерода в литосфере 10 560 000 000 000 000 000 000 000 (или 1.056 * 10 ^ 22) фунтов.
  • Двуокись углерода (атом углерода плюс два атома кислорода) составляет около 0,04 процента земной атмосферы, согласно Национальному управлению океанических и атмосферных исследований (NOAA) — увеличение по сравнению с доиндустриальными временами из-за сжигания ископаемого топлива.
  • Окись углерода (атом углерода плюс один атом кислорода) является запахом газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Угарный газ убивает путем связывания с гемоглобином, кислородсодержащим соединением в крови. Углекислый газ связывается с гемоглобином в 210 раз сильнее, чем кислород, связывается с гемоглобином, эффективно вытесняя кислород.
  • Алмаз, самая яркая версия углерода, формируется под большим давлением глубоко в земной коре. Самый крупный алмаз из драгоценного камня, который когда-либо был найден, был алмазом Cullinan, который был обнаружен в 1905 году. Необработанный алмаз составлял 3 106,75 карата. Самый большой камень, вырезанный из алмаза, на 530,2 карата, является одним из Королевских Драгоценностей Соединенного Королевства и известен как Великая Звезда Африки.
  • Согласно данным исследования 2009 года в журнале «Археологическая наука», татуировки Ötzi the Iceman, трупов которым 5300 лет, найденные в Альпах, были сделаны из углерода. Были сделаны небольшие разрезы на коже, уголь втирался, возможно, как часть лечения иглоукалыванием.

Новые молекулы углерода

Молекулы углерода — это давно изученный элемент, но это не значит, что его больше не найти. Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки жгли как древесный уголь, может стать ключом к технологическим материалам следующего поколения.

В 1985 году Рик Смалли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги обнаружили новую форму углерода. По словам Американского химического общества, испарив графит с помощью лазеров, ученые создали таинственную новую молекулу из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой шара, состоящей из 60 атомов углерода. Новая молекула углерода теперь более известна как «buckyball». Исследователи, которые её обнаружили, выиграли Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Было установлено, что бакиболы препятствуют распространению ВИЧ, согласно исследованию, опубликованному в 2009 году в Журнале химической информации и моделирования; медицинские исследователи работают над прикреплением лекарств, молекулы к молекулам, к бакиболам, чтобы доставлять лекарства непосредственно на участки инфекции или опухоли в организме; это включает исследования Колумбийского университета.

С тех пор были обнаружены другие новые чистые молекулы углерода — фуллерены, в том числе эллиптические и углеродные нанотрубки с удивительными проводящими свойствами. Углеродная химия все еще достаточно горячая. Исследователи из Японии и США занимаются выяснением того, как связывать атомы углерода вместе с использованием атомов палладия, что позволяет производить сложные новые молекулы углерода.



Что такое Графен

Что такое Графен
Графен

Говоря простым языком, графен, представляет собой тонкий слой чистого углерода; это отдельный, плотно уложенный слой атомов углерода, которые скреплены вместе в гексагональной гексагональной решетке. В более сложных условиях, это аллотроп углерода в структуре самолет из SP2 атомами с в молекуле длина связи 0.142 нм. Слоев графена, сложенных на вершине друг друга, образуют графит, с межплоскостным расстоянием 0.335 нм.

Это тончайшее соединение, известное человеку, в один атом толщиной, легкий материал известен (с 1 кв. м идет около 0.77 миллиграмм), сильнейший обнаруженное соединение (от 100 до 300 раз прочнее стали и с прочностью на жесткость 150,000,000 пс), лучшим проводником тепла, при комнатной температуре (в (4.84±0.44) × 10^3 к (5.30±0.48) × 10^3 Вт·м−1·К−1) а также лучший проводник электричества (исследования показали, подвижность электронов при значениях более 15 000 см2·в−1·с−1). Другие известные свойства графена его уникальные уровни поглощения света в πα ≈ 2.3% белого света, и его потенциальную пригодность для использования в спиновой транспорт.

Имея это в виду, вы могли быть удивлены знать, что углерод является вторым наиболее распространенным материалом в организме человека и четвертый по распространенности элемент во Вселенной (по массе), после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой для всех известных форм жизни на земле, поэтому графен вполне может быть экологически чистым, устойчивым решением для почти безграничного количества приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена, достижения в рамках разных научных дисциплин взорвались, с огромными достижениями, особенно в области электроники и биотехнологии.

Углеродные нанотрубки

Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой крохотную, соломенно-подобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти трубки чрезвычайно полезны в широком спектре электронных, магнитных и механических технологий. Диаметры этих трубок настолько малы, что они измеряются в нанометрах. Нанометр составляет одну миллиардную часть метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.

Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки по меньшей мере в 100 раз прочнее стали, но только на одну шестую, как тяжелые, поэтому они могут добавлять силу практически к любому материалу. Они также лучше, чем медь при проведении электричества и тепла.

Нанотехнологии применяются чтобы превратить морскую воду в питьевую. В новом исследовании ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) разработали процесс углеродных нанотрубок, который может вывести соль из морской воды гораздо эффективнее традиционных технологий.

В исследовании нанотрубок ученые подражали тому, как структурированы биологические мембраны: по существу матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно мелкие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти крошечные нанотрубки обеспечивают очень высокий поток воды, но настолько узкий, что через трубку может проходить только одна молекула воды. И самое главное, солевые ионы слишком велики, чтобы вписаться в трубку.

Исследователи считают, что новое открытие имеет важные последствия для следующего поколения как процессов очистки воды, так и технологий с высоким потоком мембран.

Источник: Территория знаний

Оставьте комментарий

Please enter your comment!
Напишите имя здесь