Дізнайтеся про будову атома вуглецю

У системі елементів атом вуглецю посідає унікальне і важливе місце - він є наріжним каменем життя. Він не лише лежить в основі всіх форм життя на Землі, а й є рушієм інновацій у матеріалознавстві. Заглиблення в структуру атома вуглецю може дати уявлення про внутрішню логіку походження життя та матеріальних інновацій.

Основні відомості про вуглець

Атомний номер, хімічний символ та атомна маса Карбону

Атомний номер вуглецю - 6, хімічний символ - C. Оскільки вуглець зустрічається в природі у вигляді багатьох ізотопів, його відносна атомна маса розраховується як середнє значення на основі відносної поширеності кожного ізотопу, що становить близько 12,01.

Ізотопи вуглецю

У природі вуглець існує у трьох основних ізотопах: вуглець-12, вуглець-13 і вуглець-14. Найпоширенішим є вуглець-12, що становить близько 98,93% всього вуглецю, ядро якого містить шість протонів і шість нейтронів. Це робить його стандартом для визначення одиниць атомної маси. Вуглець-13 становить близько 1,07% атомного ядра і має шість протонів і сім нейтронів. Його часто використовують у спектроскопії ядерного магнітного резонансу (ЯМР), щоб допомогти вченим вивчати молекулярну структуру. Вуглець-14 - радіоактивний ізотоп з ядром, що складається з шести протонів і восьми нейтронів. Він має період напіврозпаду близько 5730 років і відіграє ключову роль в археології. Археологи можуть датувати артефакти, вимірюючи час розпаду вуглецю-14 в них.

Аналіз будови атома вуглецю

Атомні моделі та теоретичні розробки

Від моделі твердої кулі Дальтона до моделі сливового пудингу Томсона та ядерної моделі Резерфорда. А також модель електронної шаруватої орбіти Бора та сучасні квантово-механічні моделі поглибили розуміння будови атома. Ці теоретичні розробки заклали основу для розкриття структури атомів вуглецю. А сучасні квантово-механічні моделі припускають, що електрони не рухаються по фіксованих орбітах, а розподілені навколо ядра в хмарі ймовірностей.

Деталі будови атома вуглецю

Атомне ядро

Ядро атома вуглецю складається з протонів і нейтронів, протони мають позитивний заряд, а нейтрони електрично нейтральні. Завдяки наявності протонів ядро в цілому заряджається позитивно. А оскільки кількість позитивних зарядів дорівнює кількості негативних зарядів, які переносяться електронами поза ядром, весь атом є електрично нейтральним.

Сторонні електрони

Атоми вуглецю мають шість позаядерних електронів, які розподілені в різних електронних шарах відповідно до їхніх енергетичних рівнів. Перший шар (K-шар) містить до двох електронів. Другий шар (L-шар) утримує до восьми електронів, а електронне розташування атомів вуглецю - 2,4. Тобто, K-шар має два електрони, а L-шар - чотири електрони. Ці чотири валентні електрони надають атому вуглецю унікальних хімічних властивостей, дозволяючи йому утворювати стійкі сполуки з іншими атомами.

Різноманітні структури вуглецю

Алотропи Карбону

Діамант

Це твердий кристал, атоми вуглецю якого за допомогою ковалентних зв'язків утворюють тривимірну тетраедричну структуру, кожен атом вуглецю з'єднує 4 сусідні атоми. Це надає алмазу надвисоку твердість і температуру плавлення, що робить його кращим матеріалом для різання, шліфування та інших галузей промисловості. Крім того, його яскравий блиск також робить його дорогоцінним каменем.

Графіт

Він має шарувату структуру, а атоми вуглецю в шарах утворюють гексагональну мережу ковалентних зв'язків. Поєднання слабких сил Ван-дер-Ваальса між шарами надає графіту хорошу електропровідність і змащувальні властивості. І ви часто можете використовувати графіт у виробництві електродів, мастил і грифелів для олівців.

Фулерени та вуглецеві нанотрубки

Фулерени це молекули з клітинками, що складаються з атомів вуглецю, і найвідоміша з них - С60, яка має форму футбольного м'яча. Вуглецеві нанотрубки складаються з атомів вуглецю в трубчастій структурі з чудовими механічними, електричними та теплопровідними властивостями. З них можна виготовляти високоефективні композитні матеріали та електронні пристрої.

Молекулярна структура вуглецю

Молекулярна структура вуглекислого газу

Молекула CO2 складається з 1 атома вуглецю і 2 атомів кисню, атоми вуглецю і кисню з'єднані подвійними зв'язками, по прямій лінії. Така структура робить вуглекислий газ газоподібним при кімнатній температурі та тиску. Він є важливою частиною вуглецевого циклу Землі і основним парниковим газом, відповідальним за глобальне потепління.

Органічні сполуки

Органічні сполуки - це сполуки, що містять вуглець, але не включають оксид вуглецю, вуглекислий газ і карбонати. Чотиривалентні властивості атомів вуглецю дозволяють йому утворювати різноманітні органічні сполуки з воднем, киснем, азотом та іншими атомами. Вони складають основу життєвих матеріалів, таких як білки та нуклеїнові кислоти.

Спеціальні концепції у вуглецевих структурах

Третинні атоми вуглецю

Третинні атоми вуглецю з'єднують три атоми вуглецю і мають особливу реакційну здатність в органічній хімії. У реакції нуклеофільного заміщення галогенопохідних вуглеводнів галогенопохідні вуглеводні, що містять третинні атоми вуглецю, здебільшого протікають за механізмом SN1. Цією властивістю вони відрізняються від первинних і вторинних галогенопохідних вуглеводнів, що широко використовується в органічному синтезі.

Атомна структура вуглецевих волокон

Вуглецеве волокно складається з мікрокристалів графіту, атоми якого розташовані вздовж осьової осі волокна. Завдяки цьому він має високу міцність і низьку щільність. Завдяки цим властивостям, ви можете широко використовувати його в аерокосмічній галузі, виробництві спортивного обладнання та інших сферах.

Відкриття та застосування вуглецю

Хто відкрив вуглець

Вуглець - один з перших елементів, який людина відкрила і почала використовувати. Ще в доісторичні часи люди використовували деревне вугілля як паливо. Проте лише у 18 столітті французький хімік Лавуазьє експериментально довів, що вуглець є елементом. І на основі латинського "carbo" дав йому назву "карбон", що означає деревне вугілля.

Десять способів використання вуглецю

Паливо

При спалюванні вуглецеве паливо, таке як деревина та вугілля, вступає в реакцію з киснем. Тоді воно може виділяти тепло для опалення, приготування їжі та виробництва електроенергії.

Виробництво сталі

Відповідна кількість вуглецю може підвищити міцність і твердість сталі. Регулюючи вміст вуглецю, можна отримати сталь з різними властивостями і використовувати її в будівництві та машинобудуванні.

Графітовий електрод

Графітовий електрод має хорошу електропровідність і високу термостійкість. Можна використовувати в струмопровідних ланках електросталеплавильного виробництва, електролітичного виробництва алюмінію та інших галузях промисловості.

Грифель для олівців

Грифель олівця виготовлений з графіту, змішаного з глиною, а структура графітового шару дозволяє йому залишати сліди на папері під час письма.

Адсорбція активованим вугіллям

Активоване вугілля має багаті пори, велику питому поверхню, яка здатна поглинати домішки та шкідливі речовини. І ви можете використовувати його в очищенні води, повітря та інших сценаріях.

Прикраси з діамантами

Алмаз - алотроп вуглецю, який має яскравий блиск, високу твердість, часто використовується в ювелірних виробах.

Матеріал з вуглецевого волокна

Має високу міцність, низьку щільність, використовується в аерокосмічній галузі та виробництві спортивного спорядження для зменшення ваги та покращення експлуатаційних характеристик.

Посилення гуми

Додавання технічного вуглецю до гуми може підвищити її міцність, зносостійкість і стійкість до старіння, що здебільшого використовується у виробництві шин.

Збереження продуктів харчування

Активоване вугілля може поглинати запахи та шкідливі гази в упаковці харчових продуктів і подовжувати термін їх зберігання.

Електронні продукти

Ви також можете широко використовувати вуглець в електронних продуктах, таких як графен. Він має чудові електричні властивості і, як очікується, буде використовуватися в майбутніх електронних пристроях.

Висновок

Атом вуглецю має унікальну структуру, багату природу і широке застосування. Він знайшов своє застосування від основних матеріалів для життя до найсучасніших наукових і технологічних матеріалів. Поглиблене вивчення будови атомів вуглецю сприяло розвитку людського суспільства та допомогло створити краще майбутнє.