Μάθετε για τη δομή του ατόμου του άνθρακα

Στο σύστημα των στοιχείων, το άτομο του άνθρακα κατέχει μια μοναδική και σημαντική θέση, η οποία αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της ζωής. Και όχι μόνο στηρίζει όλες τις μορφές ζωής στη Γη, αλλά και οδηγεί την καινοτομία στην επιστήμη των υλικών. Η βαθύτερη εμβάθυνση στη δομή του ατόμου του άνθρακα μπορεί να προσφέρει πληροφορίες για την εσωτερική λογική της προέλευσης της ζωής και της καινοτομίας των υλικών.

Βασικές πληροφορίες για τον άνθρακα

Ατομικός αριθμός, χημικό σύμβολο και ατομική μάζα του άνθρακα

Ο ατομικός αριθμός του άνθρακα είναι 6 και το χημικό του σύμβολο είναι C. Επειδή ο άνθρακας εμφανίζεται στη φύση με τη μορφή πολλών ισοτόπων, η σχετική ατομική του μάζα υπολογίζεται ως μέσος όρος με βάση τη σχετική αφθονία κάθε ισοτόπου, η οποία είναι περίπου 12,01.

Ισότοπα του άνθρακα

Στη φύση, ο άνθρακας εμφανίζεται σε τρία κύρια ισότοπα: άνθρακας-12, άνθρακας-13 και άνθρακας-14. Ο άνθρακας-12 είναι το πιο κοινό, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 98,93% του συνόλου του άνθρακα, ο πυρήνας του οποίου περιέχει έξι πρωτόνια και έξι νετρόνια. Αυτά το καθιστούν πρότυπο για τον καθορισμό των μονάδων ατομικής μάζας. Ο άνθρακας-13 αποτελεί περίπου το 1,07% του ατομικού πυρήνα και έχει έξι πρωτόνια και επτά νετρόνια. Μπορείτε συχνά να τον χρησιμοποιήσετε στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) για να βοηθήσετε τους επιστήμονες να μελετήσουν τη μοριακή δομή. Ο άνθρακας-14 είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο με πυρήνα που αποτελείται από έξι πρωτόνια και οκτώ νετρόνια. Έχει χρόνο ημιζωής περίπου 5.730 χρόνια και παίζει βασικό ρόλο στην αρχαιολογία. Οι αρχαιολόγοι μπορούν να είναι σε θέση να χρονολογήσουν τεχνουργήματα μετρώντας πόσο διασπάται ο άνθρακας-14 σε αυτά.

Ανάλυση της δομής των ατόμων άνθρακα

Ατομικά μοντέλα και θεωρητική ανάπτυξη

Από το μοντέλο της στερεάς σφαίρας του Ντάλτον, στο μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου του Τόμσον, στο πυρηνικό μοντέλο του Ράδερφορντ. Καθώς και το μοντέλο πολυεπίπεδης τροχιάς ηλεκτρονίων του Bohr και τα σύγχρονα κβαντομηχανικά μοντέλα, η ανθρώπινη κατανόηση της ατομικής δομής έχει εμβαθύνει. Αυτές οι θεωρητικές εξελίξεις έθεσαν τα θεμέλια για την αποκάλυψη της δομής των ατόμων άνθρακα. Και τα σύγχρονα κβαντομηχανικά μοντέλα υποδηλώνουν ότι τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται σε σταθερές τροχιές, αλλά κατανέμονται γύρω από τον πυρήνα σε ένα νέφος πιθανοτήτων.

Λεπτομέρειες της ατομικής δομής του άνθρακα

Ατομικός πυρήνας

Ο πυρήνας ενός ατόμου άνθρακα αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Λόγω της παρουσίας πρωτονίων, ο πυρήνας στο σύνολό του είναι θετικά φορτισμένος. Και επειδή ο αριθμός των θετικών φορτίων είναι ίσος με τον αριθμό των αρνητικών φορτίων που φέρουν τα ηλεκτρόνια εκτός του πυρήνα, ολόκληρο το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Ξένα ηλεκτρόνια

Τα άτομα άνθρακα έχουν έξι εξωπυρηνικά ηλεκτρόνια, τα οποία κατανέμονται σε διαφορετικές ηλεκτρονιακές στοιβάδες ανάλογα με τα ενεργειακά τους επίπεδα. Η πρώτη στιβάδα (στιβάδα Κ) περιέχει έως και δύο ηλεκτρόνια. Η δεύτερη στιβάδα (στιβάδα L) κατέχει έως και οκτώ ηλεκτρόνια και η διάταξη των ηλεκτρονίων των ατόμων άνθρακα είναι 2,4. Δηλαδή, η στιβάδα Κ έχει δύο ηλεκτρόνια και η στιβάδα L έχει τέσσερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους προσδίδουν στο άτομο του άνθρακα τις μοναδικές χημικές του ιδιότητες, επιτρέποντάς του να σχηματίζει σταθερές ενώσεις με άλλα άτομα.

Ποικίλες δομές του άνθρακα

Αλλοτρόποι του άνθρακα

Διαμάντι

Είναι ένας σκληρός κρύσταλλος, τα άτομα άνθρακα μέσω ομοιοπολικών δεσμών χτίζουν μια τρισδιάστατη τετραεδρική δομή, κάθε άτομο άνθρακα συνδέει 4 γειτονικά άτομα. Αυτό προσδίδει στο διαμάντι εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα και σημείο τήξης, καθιστώντας το το προτιμώμενο υλικό για κοπή, λείανση και άλλες βιομηχανίες. Επιπλέον, η έντονη λάμψη του το καθιστά επίσης πολύτιμο πολύτιμο λίθο.

Γραφίτης

Έχει στρωματοποιημένη δομή και τα άτομα άνθρακα στο στρώμα σχηματίζουν ένα εξαγωνικό δίκτυο ομοιοπολικών δεσμών. Ο συνδυασμός των ασθενών δυνάμεων van der Waals μεταξύ των στρωμάτων κάνει τον γραφίτη να έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και λιπαντικότητα. Και μπορείτε συχνά να χρησιμοποιήσετε γραφίτης στην κατασκευή ηλεκτροδίων, λιπαντικών και μολυβδόβουλων.

Φουλερένια και νανοσωλήνες άνθρακα

Φουλερένια είναι μόρια κλωβού που αποτελούνται από άτομα άνθρακα, και το πιο διάσημο είναι το C60, το οποίο έχει σχήμα ποδοσφαίρου. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούνται από άτομα άνθρακα σε σωληνοειδή δομή με εξαιρετικές ιδιότητες μηχανικής, ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. Μπορείτε να τους χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης και ηλεκτρονικών συσκευών.

Μοριακές δομές του άνθρακα

Μοριακή δομή του διοξειδίου του άνθρακα

Το μόριο του CO2 αποτελείται από 1 άτομο άνθρακα και 2 άτομα οξυγόνου, τα άτομα άνθρακα και τα άτομα οξυγόνου συνδέονται με διπλούς δεσμούς, σε ευθεία γραμμή. Αυτή η δομή καθιστά το διοξείδιο του άνθρακα αέριο σε θερμοκρασία δωματίου και πίεση. Αποτελεί σημαντικό μέρος του κύκλου του άνθρακα στη Γη και το κύριο αέριο του θερμοκηπίου που ευθύνεται για την υπερθέρμανση του πλανήτη.

Οργανικές ενώσεις

Οι οργανικές ενώσεις είναι ενώσεις που περιέχουν άνθρακα, αλλά δεν περιλαμβάνουν το μονοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα και τα ανθρακικά άλατα. Οι τετρασθενείς ιδιότητες των ατόμων του άνθρακα του επιτρέπουν να σχηματίζει μια ποικιλία οργανικών ενώσεων με υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο και άλλα άτομα. Αποτελούν τη βάση των υλικών της ζωής, όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα.

Ειδικές έννοιες στις δομές άνθρακα

Τριτογενή άτομα άνθρακα

Τα τριτοταγή άτομα άνθρακα συνδέουν τρία άτομα άνθρακα και έχουν ιδιαίτερη δραστικότητα στην οργανική χημεία. Στην αντίδραση πυρηνόφιλης υποκατάστασης των αλογονωμένων υδρογονανθράκων, οι αλογονωμένοι υδρογονάνθρακες που περιέχουν τριτοταγή άτομα άνθρακα ακολουθούν ως επί το πλείστον τον μηχανισμό SN1. Η ιδιότητα αυτή διαφέρει από τους πρωτογενείς και δευτερογενείς αλογονωμένους υδρογονάνθρακες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως στην οργανική σύνθεση.

Ατομική δομή των ινών άνθρακα

Ίνα άνθρακα αποτελείται από μικροκρυστάλλους γραφίτη, τα άτομα είναι διατεταγμένα κατά μήκος του αξονικού άξονα της ίνας. Έτσι, έχει πλεονεκτήματα υψηλής αντοχής και χαμηλής πυκνότητας. Με αυτές τις ιδιότητες, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ευρέως στην αεροδιαστημική, στην κατασκευή αθλητικού εξοπλισμού και σε άλλους τομείς.

Ανακάλυψη και εφαρμογές του άνθρακα

Ποιος ανακάλυψε τον άνθρακα

Ο άνθρακας είναι ένα από τα πρώτα στοιχεία που ανακάλυψε και χρησιμοποίησε ο άνθρωπος. Και ήδη από τους προϊστορικούς χρόνους, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν τον άνθρακα ως καύσιμο. Ωστόσο, μόλις τον 18ο αιώνα ο Γάλλος χημικός Λαβουαζιέ απέδειξε πειραματικά ότι ο άνθρακας είναι στοιχείο. Και με βάση το λατινικό "carbo", του έδωσε το όνομα "άνθρακας", που σημαίνει κάρβουνο.

Δέκα χρήσεις του άνθρακα

Καύσιμο

Όταν καίγονται, τα καύσιμα με βάση τον άνθρακα, όπως το ξύλο και ο άνθρακας, αντιδρούν με το οξυγόνο. Στη συνέχεια, μπορούν να απελευθερώσουν θερμότητα για θέρμανση, μαγείρεμα και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Παραγωγή χάλυβα

Η κατάλληλη ποσότητα άνθρακα μπορεί να βελτιώσει την αντοχή και τη σκληρότητα του χάλυβα. Ρυθμίζοντας την περιεκτικότητα σε άνθρακα, μπορείτε να παράγετε διαφορετικές ιδιότητες του χάλυβα και να τον χρησιμοποιείτε για κατασκευές και κατασκευή μηχανημάτων.

Ηλεκτρόδιο γραφίτη

Ηλεκτρόδιο γραφίτη έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε στους αγώγιμους συνδέσμους του ηλεκτρικού κλιβάνου χαλυβουργίας, του ηλεκτρολυτικού αλουμινίου και άλλων βιομηχανιών.

Μόλυβδος μολυβιού

Το μολύβι μολυβιού αποτελείται από γραφίτη αναμεμειγμένο με πηλό και η δομή του στρώματος γραφίτη του επιτρέπει να αφήνει σημάδια στο χαρτί όταν γράφει.

Προσρόφηση ενεργού άνθρακα

Ο ενεργός άνθρακας έχει πλούσιους πόρους, μεγάλη ειδική επιφάνεια, η οποία μπορεί να απορροφήσει ακαθαρσίες και επιβλαβείς ουσίες. Και μπορείτε να τον χρησιμοποιήσετε στον καθαρισμό του νερού και του αέρα και σε άλλα σενάρια.

Διαμαντένια κοσμήματα

Το διαμάντι είναι ένα αλλότριο του άνθρακα, το οποίο έχει λαμπερή λάμψη, υψηλή σκληρότητα, και συχνά κατασκευάζεται σε κοσμήματα.

Υλικό από ίνες άνθρακα

Έχει υψηλή αντοχή, χαμηλή πυκνότητα, χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική και στην κατασκευή αθλητικού εξοπλισμού για τη μείωση του βάρους και τη βελτίωση των επιδόσεων.

Βελτίωση καουτσούκ

Η προσθήκη αιθάλης στο καουτσούκ μπορεί να ενισχύσει την αντοχή, την αντοχή στη φθορά και την αντοχή στη γήρανση, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως στην κατασκευή ελαστικών.

Διατήρηση τροφίμων

Ο ενεργός άνθρακας μπορεί να απορροφήσει οσμές και επιβλαβή αέρια στη συσκευασία τροφίμων και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των τροφίμων.

Ηλεκτρονικά προϊόντα

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε ευρέως τον άνθρακα σε ηλεκτρονικά προϊόντα, όπως το γραφένιο. Έχει εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες και αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικές ηλεκτρονικές συσκευές.

Συμπέρασμα

Το άτομο του άνθρακα έχει μοναδική δομή, πλούσια φύση και ευρεία εφαρμογή. Από τα βασικά υλικά της ζωής έως τα επιστημονικά και τεχνολογικά υλικά αιχμής, έχει βρεθεί. Η σε βάθος μελέτη της δομής των ατόμων άνθρακα έχει προωθήσει την ανάπτυξη της ανθρώπινης κοινωνίας και συμβάλλει στη δημιουργία ενός καλύτερου μέλλοντος.