Является ли углерод металлом?

В огромной системе периодической таблицы элементов углерод и металлические элементы сияют уникальным светом. Но является ли углерод металлом? Ответ - нет, углерод - неметалл. В ряду химических элементов углерод и металл занимают важное место, но между ними есть существенные различия. Начиная с микроскопической атомной структуры, макроскопических физических и химических свойств, а затем и практического применения, разница между ними проходит насквозь.

Основные характеристики углерода

Атомная структура углерода

Углерод - элемент № 6 с шестью протонами в ядре и двумя слоями электронов, причем четыре электрона находятся в самом верхнем слое. Благодаря такой особой электронной структуре углерод не теряет электроны, образуя катионы, как металлические элементы. И не может легко получить электроны, образуя анионы, как некоторые неметаллические элементы. В химических реакциях он склонен образовывать ковалентные связи с другими атомами, обмениваясь электронными парами, и таким образом достигать стабильной электронной структуры. Это является ключом к образованию многих органических соединений и уникальных аллотропов углерода.

Физические свойства

Углерод обладает самыми разными аллотропными свойствами. Алмаз - самое твердое вещество в природе, твердость по шкале Мооса достигает 10. Атомы ковалентно связаны между собой, образуя устойчивый тетраэдр, компактную структуру, бесцветный прозрачный, преломляющий, хорошо проводящий тепло, но почти не проводящий электричество. Графит мягкий и скользкий, его слоистая структура позволяет легко скользить между слоями. Его можно использовать в качестве смазки, и он может проводить электричество благодаря наличию свободных электронов в слое. Фуллерены, углеродные нанотрубки, графени т.д. имеют свои уникальные структуры и свойства, и имеют широкие перспективы применения.

Определение и характеристики металлов

Определение металлов

Металл - это блестящий, ковкий, легко проводящий электричество, тепло и другие свойства материал. В периодической таблице элементов металлические элементы занимают большую часть места. Они имеют некоторые общие характеристики в атомном строении, физических свойствах и химических характеристиках.

Характерные особенности

Металлический блеск:

Свободные электроны могут поглощать и отражать видимый свет, придавая металлу уникальный блеск. Подобно ослепительному блеску золота и серебра, большинство повседневной металлической посуды демонстрирует этот яркий вид.

Хорошая электропроводность:

Внутри имеется большое количество свободных электронов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться, образуя ток. В жизни медь и алюминий являются распространенными проводящими металлами. Их можно широко использовать при изготовлении проводов и кабелей для обеспечения передачи электроэнергии.

Сильная теплопроводность:

При нагревании тепловое движение свободных электронов усиливается, и тепло быстро передается различным частям. Возьмем в качестве примера железную кастрюлю: при нагревании тепло на дне кастрюли быстро и равномерно распределяется для приготовления пищи. Металлический радиатор компьютерного процессора также использует теплопроводность металла для охлаждения чипа.

Отличная пластичность:

Атомы плотно упакованы, а металлические связи позволяют атомам скользить друг относительно друга при нагрузке. Металлы можно ковать в листах, например, в золотой фольге. Можно также вытягивать его в тонкую проволоку, например железную или медную. Его легко перерабатывать в различные формы для удовлетворения различных промышленных и жизненных потребностей.

Сравнительный анализ характеристик углерода и металла

Внешние характеристики

Металл обычно имеет металлический блеск и яркую поверхность. Внешний вид углерода значительно отличается из-за различных аллотропов, алмаз прозрачный и яркий. Графит - темно-серый и скользкий, а внешний вид металла сильно отличается, что еще раз указывает на то, что углерод - неметалл.

Электропроводность

Металл - хороший проводник, и большое количество свободных электронов позволяет току проходить беспрепятственно. Проводимость углерода варьируется от аллотропа к аллотропу. Графит обладает определенной электропроводностью, но механизм его проводимости основан на движении свободных электронов между слоями, что отличается от металлического. Алмаз практически не проводит электричество, что резко контрастирует с хорошей электропроводностью металлов.

Пластичность

Металл обладает отличной пластичностью, и его можно обрабатывать в различных формах. Однако углеродная текстура обычно хрупкая, будь то алмаз или графит, ее трудно превратить в тонкие листы или нити, как металл, с помощью внешней силы. И он легко ломается при нагрузке, что еще раз показывает существенную разницу между углеродом и металлом в физических свойствах.

Химическая активность

Металл обычно более активен, легко вступает в реакцию с кислородом, кислотой и другими веществами. Химические свойства углерода относительно стабильны при комнатной температуре, а его химическая реактивность явно отличается. Хотя в определенных условиях, например при высокой температуре, он может проявлять определенную химическую активность, например воспламеняемость и восстанавливаемость. Условия и способы реакции сильно отличаются от химических реакций металлов.

Сравнение химических свойств углерода и металлов

При комнатной температуре углерод обладает высокой стабильностью, атомная структура определяет, что ему нелегко набирать или терять электроны. И ему нелегко вступать в реакцию со многими веществами. Напротив, многие металлы легко вступают в реакцию с кислородом и влагой в воздухе при комнатной температуре.

Углерод воспламеняется при повышении температуры. При достаточном количестве кислорода он полностью сгорает с образованием углекислого газа. При недостатке кислорода в результате неполного сгорания образуется угарный газ. Эта горючесть отличается от реакции горения металлов, которые обычно бурно окисляются кислородом с образованием оксидов металлов.

При высоких температурах углерод обладает значительной восстановительной способностью, что позволяет широко использовать его для извлечения металлов в металлургической промышленности. Например, углерод реагирует с оксидом меди, образуя медь и углекислый газ. Металлы обычно теряют электроны в химических реакциях, но условия и процессы их восстановительных реакций различаются.

Области применения углерода и отличия от применения металлов

Углерод

Его применение широко и уникально. В области материаловедения его аллотроп играет важную роль. Алмаз благодаря своей высокой твердости используется в производстве режущих инструментов, бурового оборудования. Графит используется в производстве электродыГрафен используется для изготовления щеток и смазочных материалов благодаря своей хорошей проводимости и смазывающей способности. Благодаря своим превосходным свойствам графен имеет большой потенциал для использования в электронных устройствах, датчиках, композитных материалах и других областях.

В области наук о жизни углерод является основным элементом жизни. Все органические соединения содержат его, от простых углеводов до сложных белков, нуклеиновых кислот и других биологических макромолекул, и он играет решающую роль в жизнедеятельности.

Металл

Его применение в основном сосредоточено в промышленном производстве, строительстве, электронике и других областях. В промышленном производстве он является основным материалом для изготовления машин и оборудования, автомобилей, кораблей и т.д.. А такие его характеристики, как высокая прочность, хорошая электро- и теплопроводность, являются незаменимыми. В строительстве с его помощью возводят мосты и высокие здания, обеспечивая структурную поддержку и устойчивость. В области электроники его можно использовать для изготовления электронных компонентов, печатных плат. И он обеспечивает нормальную работу электронных устройств.

Заключение

Проведя всесторонний сравнительный анализ углерода и металла, начиная с атомной структуры, физических свойств, химических свойств и заканчивая областями применения, мы можем сделать вывод, что углерод - это не металл, углерод - это неметалл. Хотя и углерод, и металл играют важную роль в своих областях, они существенно различаются на всех уровнях. С непрерывным развитием науки и техники наше понимание и применение углерода и металлов будет углубляться. И они будут продолжать вносить свой вклад в прогресс человеческого общества в различных областях.