Erfahren Sie mehr über die Atomstruktur von Kohlenstoff

Im System der Elemente nimmt das Kohlenstoffatom eine einzigartige und wichtige Stellung ein, es ist der Grundstein des Lebens. Es bildet nicht nur die Grundlage für alle Formen des Lebens auf der Erde, sondern treibt auch die Innovation in der Materialwissenschaft voran. Ein tieferes Verständnis der Struktur des Kohlenstoffatoms kann Einblicke in die innere Logik des Ursprungs des Lebens und der Materialinnovation geben.

Grundlegende Informationen über Kohlenstoff

Ordnungszahl, chemisches Symbol und Atommasse von Kohlenstoff

Die Ordnungszahl von Kohlenstoff ist 6 und das chemische Symbol ist C. Da Kohlenstoff in der Natur in Form vieler Isotope vorkommt, wird seine relative Atommasse als Durchschnitt auf der Grundlage der relativen Häufigkeit der einzelnen Isotope berechnet, die etwa 12,01 beträgt.

Isotope von Kohlenstoff

In der Natur kommt Kohlenstoff in drei Hauptisotopen vor: Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-12 ist das häufigste Isotop, das etwa 98,93% des gesamten Kohlenstoffs ausmacht und dessen Kern sechs Protonen und sechs Neutronen enthält. Dies macht ihn zu einem Standard für die Definition von Atommasseneinheiten. Kohlenstoff-13 macht etwa 1,07% des Atomkerns aus und hat sechs Protonen und sieben Neutronen. Es wird häufig in der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um Wissenschaftlern bei der Untersuchung der Molekularstruktur zu helfen. Kohlenstoff-14 ist ein radioaktives Isotop mit einem Kern, der aus sechs Protonen und acht Neutronen besteht. Es hat eine Halbwertszeit von etwa 5.730 Jahren und spielt in der Archäologie eine wichtige Rolle. Archäologen können Artefakte datieren, indem sie messen, wie viel Kohlenstoff-14 in ihnen zerfällt.

Analyse der Atomstruktur von Kohlenstoff

Atomare Modelle und theoretische Entwicklung

Von Daltons Modell der festen Kugel über Thomsons Plumpuddingmodell bis hin zu Rutherfords Kernmodell. Auch Bohrs Modell der geschichteten Elektronenbahn und moderne quantenmechanische Modelle haben das menschliche Verständnis der atomaren Struktur vertieft. Diese theoretischen Entwicklungen legten den Grundstein für die Entschlüsselung der Struktur der Kohlenstoffatome. Und moderne quantenmechanische Modelle legen nahe, dass sich die Elektronen nicht auf festen Bahnen bewegen, sondern in einer Wahrscheinlichkeitswolke um den Kern verteilt sind.

Details der atomaren Struktur von Kohlenstoff

Atomkern

Der Kern eines Kohlenstoffatoms besteht aus Protonen und Neutronen, wobei Protonen eine positive Ladung haben und Neutronen elektrisch neutral sind. Durch das Vorhandensein von Protonen ist der Kern als Ganzes positiv geladen. Und da die Anzahl der positiven Ladungen gleich der Anzahl der negativen Ladungen ist, die die Elektronen außerhalb des Kerns tragen, ist das gesamte Atom elektrisch neutral.

Fremde Elektronen

Kohlenstoffatome haben sechs außerkernige Elektronen, die entsprechend ihrer Energieniveaus auf verschiedene Elektronenschichten verteilt sind. Die erste Schicht (K-Schicht) enthält bis zu zwei Elektronen. In der zweiten Schicht (L-Schicht) befinden sich bis zu acht Elektronen, und die Elektronenanordnung der Kohlenstoffatome ist 2,4. Das heißt, die K-Schicht hat zwei Elektronen und die L-Schicht hat vier Elektronen. Diese vier Valenzelektronen verleihen dem Kohlenstoffatom seine einzigartigen chemischen Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, stabile Verbindungen mit anderen Atomen einzugehen.

Vielfältige Strukturen von Kohlenstoff

Allotrope von Kohlenstoff

Diamant

Er ist ein harter Kristall, bei dem die Kohlenstoffatome durch kovalente Bindungen eine dreidimensionale tetraedrische Struktur bilden, wobei jedes Kohlenstoffatom 4 benachbarte Atome miteinander verbindet. Dies verleiht Diamant eine extrem hohe Härte und einen hohen Schmelzpunkt, was ihn zum bevorzugten Material für das Schneiden, Schleifen und andere Industrien macht. Darüber hinaus macht ihn sein heller Glanz zu einem wertvollen Edelstein.

Graphit

Es hat eine geschichtete Struktur und die Kohlenstoffatome in der Schicht bilden ein hexagonales Netz kovalenter Bindungen. Die Kombination aus schwachen Van-der-Waals-Kräften zwischen den Schichten verleiht dem Graphit eine gute elektrische Leitfähigkeit und Schmierfähigkeit. Und Sie können oft verwenden Graphit bei der Herstellung von Elektroden, Schmiermitteln und Bleistiftminen.

Fullerene und Kohlenstoff-Nanoröhren

Fullerene sind Käfigmoleküle, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, und das bekannteste ist C60, das die Form eines Fußballs hat. Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen aus Kohlenstoffatomen in einer röhrenförmigen Struktur mit hervorragenden mechanischen, elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften. Man kann sie zur Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen und elektronischen Geräten verwenden.

Molekulare Strukturen von Kohlenstoff

Molekulare Struktur des Kohlendioxids

Das CO2-Molekül besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen, wobei die Kohlenstoffatome und die Sauerstoffatome durch geradlinige Doppelbindungen verbunden sind. Diese Struktur macht Kohlendioxid bei Raumtemperatur und -druck gasförmig. Es ist ein wichtiger Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs der Erde und das wichtigste Treibhausgas, das für die globale Erwärmung verantwortlich ist.

Organische Verbindungen

Organische Verbindungen sind Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, nicht aber Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Karbonate. Die vierwertigen Eigenschaften der Kohlenstoffatome ermöglichen es ihnen, mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und anderen Atomen eine Vielzahl organischer Verbindungen zu bilden. Sie bilden die Grundlage für Lebensstoffe wie Proteine und Nukleinsäuren.

Spezielle Konzepte für Kohlenstoffstrukturen

Tertiäre Kohlenstoff-Atome

Tertiäre Kohlenstoffatome verbinden drei Kohlenstoffatome und haben eine besondere reaktive Aktivität in der organischen Chemie. Bei der nukleophilen Substitutionsreaktion von Halogenkohlenwasserstoffen folgen Halogenkohlenwasserstoffe mit tertiären Kohlenstoffatomen meist dem SN1-Mechanismus. Diese Eigenschaft unterscheidet sich von den primären und sekundären Halogenkohlenwasserstoffen, die in der organischen Synthese weit verbreitet sind.

Atomare Struktur von Kohlenstofffasern

Kohlefaser besteht aus Graphit-Mikrokristallen, deren Atome entlang der axialen Achse der Faser angeordnet sind. So dass es hohe Festigkeit und geringe Dichte Vorteile hat. Mit diesen Eigenschaften können Sie es weit in der Luft- und Raumfahrt, Sportgeräteherstellung und anderen Bereichen verwenden.

Entdeckung und Anwendungen von Kohlenstoff

Wer hat den Kohlenstoff entdeckt?

Kohlenstoff ist eines der ersten Elemente, das vom Menschen entdeckt und genutzt wurde. Schon in prähistorischer Zeit haben die Menschen Holzkohle als Brennstoff verwendet. Doch erst im 18. Jahrhundert wies der französische Chemiker Lavoisier experimentell nach, dass Kohlenstoff ein Element ist. In Anlehnung an das lateinische "carbo" gab er ihm den Namen "carbon", was so viel wie Holzkohle bedeutet.

Zehn Verwendungszwecke von Kohlenstoff

Kraftstoff

Bei der Verbrennung reagieren Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis wie Holz und Kohle mit Sauerstoff. Dabei kann Wärme zum Heizen, Kochen und zur Stromerzeugung freigesetzt werden.

Stahlerzeugung

Ein angemessener Kohlenstoffgehalt kann die Festigkeit und Härte von Stahl verbessern. Durch die Regulierung des Kohlenstoffgehalts können Sie verschiedene Eigenschaften von Stahl erzeugen und ihn für das Baugewerbe und die Maschinenherstellung verwenden.

Graphit-Elektrode

Graphit-Elektrode hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit. Sie können es in den leitenden Verbindungen von Elektroofen Stahlherstellung, elektrolytische Aluminium und anderen Industrien verwenden.

Bleistiftmine

Die Bleistiftmine besteht aus Graphit, der mit Ton vermischt ist, und die Schichtstruktur des Graphits ermöglicht es, beim Schreiben Spuren auf dem Papier zu hinterlassen.

Aktivkohleadsorption

Aktivkohle hat viele Poren und eine große spezifische Oberfläche, die Verunreinigungen und Schadstoffe absorbieren kann. Und Sie können es in der Wasser- und Luftreinigung und anderen Szenarien verwenden.

Diamant-Schmuck

Der Diamant ist ein Allotrop des Kohlenstoffs, das einen hellen Glanz und eine hohe Härte aufweist und häufig zu Schmuckstücken verarbeitet wird.

Kohlefaser-Material

Es hat eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte und wird in der Luft- und Raumfahrt sowie bei der Herstellung von Sportgeräten verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.

Gummiverstärkung

Durch die Zugabe von Ruß zu Kautschuk kann dessen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Alterungsbeständigkeit verbessert werden, was vor allem bei der Reifenherstellung genutzt wird.

Konservierung von Lebensmitteln

Aktivkohle kann Gerüche und schädliche Gase in Lebensmittelverpackungen absorbieren und die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern.

Elektronische Produkte

Auch in elektronischen Produkten wie Graphen kann Kohlenstoff in großem Umfang verwendet werden. Es hat hervorragende elektrische Eigenschaften und wird voraussichtlich in künftigen elektronischen Geräten verwendet werden.

Schlussfolgerung

Das Kohlenstoffatom hat eine einzigartige Struktur, eine reiche Natur und eine breite Anwendung. Es wurde von den Grundstoffen des Lebens bis hin zu den modernsten wissenschaftlichen und technologischen Materialien gefunden. Die eingehende Untersuchung der Struktur von Kohlenstoffatomen hat die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft gefördert und dazu beigetragen, eine bessere Zukunft zu schaffen.