Eigenschaften von Kohlenstoff: Ein umfassender Überblick

In der Welt der Elemente ist der Kohlenstoff einzigartig und schillernd. Von organischen Molekülen, der Grundlage des Lebens, bis hin zu Schlüsselmaterialien für die Industrie ist er überall zu finden. Die Erforschung der Eigenschaften von Kohlenstoff gibt uns Einblick in die Schnittstelle von Natur und Technik, in die Zusammensetzung der Materie und in chemische Reaktionen.

Physikalische Eigenschaften von Kohlenstoff

Übersicht der Allotrope

Kohlenstoff kann eine Vielzahl von Allotropen bilden, wie z. B. Diamant, Graphit usw. Sie bestehen zwar aus Kohlenstoffatomen, aber die atomare Anordnung und die Verbindungsarten sind unterschiedlich. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden sich erheblich, und die Anwendungsforschung ist von großem Wert für Materialien, Elektronik und andere Bereiche.

Merkmale von Diamanten

Diamant ist die härteste Substanz in der Natur, mit einer Mohshärte von 10. Seine Atome sind tetraedrische Struktur, starke atomare Bindungskraft, Verschleißfestigkeit und Druckfestigkeit, für das Schneiden Bohren verwendet. Es ist farblos und transparent, stark lichtbrechend, ist ein Edelstein. Hohe Wärmeleitfähigkeit, Sie können es für elektronische Wärmeableitung verwenden, aber kaum leitfähig.

Eigenschaften von Graphit

Die Textur von Graphit ist weich und glatt. Sie entsteht durch die schichtweise Struktur und lässt sich leicht zwischen den Schichten hindurchschieben. Man kann Graphit oft als Schmiermittel bei hohen Temperaturen und hohem Druck verwenden. Es hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und freie Elektronen in der Schicht. Und man kann Graphit in Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Anode Materialien und Motor Bürsten um das Laden und Entladen sowie die Stromübertragung zu gewährleisten.

Andere allotrope Merkmale

Fullerene wie C60 sind mit Käfigen versehen, optisch aktiv, können Komplexe mit Metallionen bilden und haben Potenzial für optoelektronische Geräte und Katalyse. Kohlenstoff-Nanoröhren haben einen Durchmesser im Nanometerbereich, eine hohe Festigkeit sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Sie können im Bereich der Nanoelektronik und der Verbundwerkstoffe eingesetzt werden. Graphen ist ein einlagiges zweidimensionales Material mit hervorragenden elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Es hat ein großes Potenzial für flexible elektronische Geräte.

Zusammenfassung der allgemeinen physikalischen Eigenschaften

Erscheinungsbild

Der Diamant ist farblos und transparent, nach dem Polieren glänzend und ein Edelsteinmaterial. Graphit dunkelgrau mit metallischem Glanz, flockig, glatter Griff. Fullerene sind schwarzes oder braunes Pulver, Kohlenstoff-Nanoröhren sind extrem dünne schwarze Röhren. Und Graphen ist ein fast transparentes, zweidimensionales Blatt mit einer ausgeprägten faltigen Textur.

Dichte

Diamant ca. 3,5-3,53g/cm3, Atome dicht gepackt; Graphit ca. 2,09-2,23g/cm3, zwischen den Schichten gibt es eine Lücke. Fullerene haben ein Gewicht von etwa 1,65 g/cm3, Kohlenstoff-Nanoröhren von 1,3-1,4 g/cm3 und Graphen von etwa 2,267 g/cm3, wobei die Dichte je nach Anordnung und Struktur der Atome variiert.

Schmelzpunkt

Der Schmelzpunkt von Diamant liegt bei über 3500 °C, und die Atome bilden regelmäßige Tetraeder mit kovalenten Bindungen, und die Struktur ist fest. Der Schmelzpunkt von Graphit liegt bei 3652-3697°C, und die kovalente Bindung in der Schicht ist stabil. Der hohe Schmelzpunkt macht den Kohlenstoff in Hochtemperaturumgebungen stabil und wird in industriellen Hochtemperaturbereichen verwendet.

Siedepunkt

Der Siedepunkt von Diamant und Graphit liegt unter normalen Bedingungen bei etwa 4827°C. Kohlenstoff lässt sich nur schwer von einem festen in einen gasförmigen Zustand umwandeln, und zwar bei extrem hohen Temperaturen. In der industriellen und lebendigen Umwelt, Kohlenstoff physikalischen und chemischen Eigenschaften sind stabil, nicht leicht zu verflüchtigen Zersetzung.

Löslichkeit

Kohlenstoff ist unlöslich in Wasser, gängigen organischen Lösungsmitteln sowie in sauren und alkalischen Lösungen. Aufgrund seiner stabilen Atomstruktur und der starken interatomaren Kraft ist es für die Lösungsmittelmoleküle schwierig, die Elementarstruktur des Kohlenstoffs und seine Wirkung zu brechen. Außerdem ist die Löslichkeit in den meisten Lösungsmitteln extrem gering.

Leitfähigkeit

Die Graphitschichtstruktur hat freie Elektronen, leitet Strom gut und kann für Elektroden verwendet werden. Bei Diamant sind die Elektronen an kovalente Bindungen gebunden und leiten kaum Strom. Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren haben eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, Graphen hat eine hohe Elektronenbeweglichkeit, eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und ein großes Potenzial im Bereich der Elektronik.

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Stabilität

Bei Raumtemperatur sind die chemischen Eigenschaften der Verkokung stabil. Die vier Elektronen in der äußersten Schicht des Atoms sind nicht leicht zu gewinnen oder zu verlieren Elektronen. Es ist viel Energie erforderlich, um die stabile Struktur aufzubrechen und an chemischen Reaktionen teilzunehmen. So können kohlenstoffhaltige Kulturdenkmäler, Gemälde und Malereien lange erhalten bleiben.

Entflammbarkeit

Es ist brennbar und verbrennt vollständig zu Kohlendioxid, wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, wobei eine Menge Wärmeenergie freigesetzt wird. Kohlenmonoxid entsteht bei unvollständiger Verbrennung, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, und die Verbrennungsreaktion ist ein wichtiger Weg zur Energiegewinnung.

Redundanz

Es ist bei hohen Temperaturen stark reduzierbar. Es kann mit Metalloxiden reagieren, den Sauerstoff in den Oxiden binden und das Metall reduzieren. Es ist in der Metallurgieindustrie bei der Metallgewinnung weit verbreitet und spielt eine Schlüsselrolle.

Reaktionen mit anderen Stoffen

Unter bestimmten Bedingungen reagiert es mit einer Vielzahl von Stoffen. Bei hohen Temperaturen reagiert es mit Schwefel unter Bildung von Schwefelkohlenstoff und mit Wasserdampf unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Produkte haben wichtige Anwendungen in der Chemie- und Kraftstoffbranche.

Quadrivalenz

Die vier äußersten Elektronen eines quaternären Kohlenstoffatoms befinden sich in einem quaternären Zustand. Es kann 4 kovalente Bindungen mit einer Vielzahl von Atomen eingehen, um komplexe und vielfältige Verbindungen aufzubauen, von einfachen organischen Stoffen bis hin zu biologischen Makromolekülen. Es ist die Grundlage der organischen Welt und der lebenden Materie und ist von großer Bedeutung.

Verkettung

Seine Atome können durch kovalente Bindungen, d. h. durch Verkettung, zu Ketten verbunden werden. Es kann eine gerade Kette, eine verzweigte Kette oder eine Ringstruktur bilden, wobei Kettenlänge und -struktur die Eigenschaften der Verbindungen beeinflussen. Sie ist die Grundlage für die Bildung vieler organischer Verbindungen und unterstützt das riesige System der organischen Chemie.

Elektronische Struktur

Die Elektronenkonfiguration eines Kohlenstoffatoms ist 1s22s22p2. Diese Struktur bestimmt sein chemisches Verhalten, und die vier äußersten Elektronen machen es einfach, Elektronen mit anderen Atomen zu teilen, um Bindungen zu bilden. Es kann aber auch unter bestimmten Bedingungen Elektronen gewinnen und verlieren und an verschiedenen chemischen Reaktionen teilnehmen.

Elektronegativität

Es hat eine Elektronegativität von etwa 2,55 (auf der Pauling-Skala) und liegt damit zwischen Metallen und Nichtmetallen. Wenn in einer Verbindung verschiedene Elemente miteinander verbunden sind, hat die chemische Bindung aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität eine unterschiedliche Polarität. Dies wirkt sich auf die chemische Aktivität und die physikalischen Eigenschaften der Verbindung aus.

Verbindung zwischen Eigentum und Anwendung

Anwendungen bestimmt durch physikalische Eigenschaften

Seine physikalischen Eigenschaften sind vielfältig, so dass er vielseitig eingesetzt werden kann. Die Härte des Diamanten wird als die Krone der Natur bezeichnet und hat erhebliche Vorteile im Bereich des Schneidens und Schleifens. Zum Beispiel beim Schneiden von Glas und bei der Bearbeitung von Hartmetall. Graphit hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und wird häufig in Batterieelektroden verwendet, um den Lade- und Entladezyklus zu gewährleisten. Graphen hat eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und eine extrem hohe Flexibilität, was es zu einem idealen Material für flexible Bildschirme und tragbare elektronische Geräte macht. Die hohe Festigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren kann die Leistung von Verbundwerkstoffen verbessern. Außerdem kann es in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, wo hohe Anforderungen an die Festigkeit von Materialien gestellt werden.

Anwendungen bestimmt durch chemische Eigenschaften

Ihre chemischen Eigenschaften bestimmen ihre Anwendung in einer Reihe von Schlüsselbereichen. Die Entflammbarkeit macht Kohle und Erdgas zu wichtigen Energieträgern. Bei der Verbrennung wird viel Wärmeenergie freigesetzt, um den Energiebedarf der industriellen Produktion und des täglichen Lebens zu decken. Aufgrund ihrer Reduzierbarkeit spielt sie eine Schlüsselrolle in der metallurgischen Industrie, indem sie Metalle aus ihren Oxiden reduziert. Die Vierwertigkeit und Kettenfähigkeit von Kohlenstoffatome sind die Grundlage für den Aufbau organischer Verbindungen. Die Synthese von Arzneimitteln, Kunststoffen, Kautschuk usw. beruht auf diesen Verbindungen, die der modernen Gesellschaft eine Vielzahl von Produkten liefern.

Schlussfolgerung

Kohlenstoff spielt aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften eine wichtige Rolle in der Natur und der menschlichen Gesellschaft. Seine allotropen Eigenschaften bestimmen eine breite Palette von Anwendungen, und seine chemischen Eigenschaften unterstützen Leben und Industrie. In Zukunft wird seine Erforschung vertieft werden und weiterhin zur Lösung von Problemen wie der Energie beitragen.