Ανώμαλη συμπεριφορά άνθρακα

Ο άνθρακας είναι ένα από τα πιο κοινά στοιχεία στη Γη. Αντιπροσωπεύει περίπου το 0,02 τοις εκατό του φλοιού της Γης και μπορεί να βρεθεί σε διάφορες ενώσεις σε όλο τον κόσμο. Ο άνθρακας είναι μοναδικός γιατί έχει αρκετές ανωμαλίες στις φυσικές και χημικές ιδιότητες.

Το ασυνήθιστο μέγεθός του, η υψηλή ενέργεια ιονισμού και άλλες τέτοιες δομικές ανωμαλίες δημιουργούν τα πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά του. Παρατηρείται επίσης ότι οι περισσότερες ενώσεις άνθρακα έχουν υψηλότερα σημεία τήξης και σημεία βρασμού σε σύγκριση με άλλα στοιχεία από την ομάδα τους (για παράδειγμα, οξυγόνο). Επομένως, η μελέτη των κρίσιμων διαφορών μεταξύ του άνθρακα και άλλων στοιχείων της ομάδας 14 του περιοδικού πίνακα είναι απαραίτητη.

Στόχοι και Λειτουργίες

Όταν κάποιος παρατηρήσει την ατομική δομή του άνθρακα, μπορούμε να δούμε ότι η πιο εξωτερική περιοχή του κελύφους του έχει τέσσερα ηλεκτρόνια. Χρειάζεται άλλα τέσσερα ηλεκτρόνια για να σταθεροποιήσει την τελική του τροχιά και έτσι πρέπει να τα αποκτήσει από άλλες πηγές.

Για να γίνει αυτό, ο άνθρακας αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια παρουσία τους. Αυτό οδηγεί στη δημιουργία τεσσάρων ομοιοπολικών δεσμών σε όλο τον κύκλο ζωής του. Αυτά τα τέσσερα σθένη δημιουργούν μοναδικές συνδέσεις που μπορούν να μελετηθούν λεπτομερώς για να κατανοηθεί η ανώμαλη συμπεριφορά των νότων άνθρακα.

Catenation

Τα άτομα άνθρακα συχνά συνδέονται ομοιοπολικά με άλλα άτομα άνθρακα, δημιουργώντας μακριές αλυσίδες άνθρακα και δομές. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως κατενοποίηση. Είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία αρκετών ενώσεων άνθρακα σε όλη την επιφάνεια της Γης.

Αυτό το χαρακτηριστικό μας έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε άνθρακα στην οργανική χημεία και να διερευνήσουμε δομές που χτίζονται μέσω της διαδικασίας κατένωσης.

Μικρό μέγεθος

Μια μικρή ατομική δομή χαρακτηρίζει τον άνθρακα. Αυτό επέτρεψε στα άτομα άνθρακα να σχηματίσουν εύκολα πολλούς δεσμούς, ειδικά την κατένωση. Ο άνθρακας είναι γνωστός ως «μισογεμάτο στοιχείο» επειδή έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξώτατη τροχιά του, υποδεικνύοντας την ανάγκη να υπάρχουν άλλα τέσσερα ηλεκτρόνια για να σταθεροποιηθεί η τροχιά του.

Το άτομο άνθρακα είναι σταθερό λόγω της μικρής δομής του. Ο πυρήνας είναι σε θέση να συγκρατεί όχι μόνο τα συνδεδεμένα ηλεκτρόνια αλλά και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Ηλεκτραρνητικότητα του άνθρακα

Τα άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς p-p με τον εαυτό τους και επίσης με διαφορετικά μόρια. Αυτό είναι δυνατό λόγω της μικρής δομής του ατόμου άνθρακα. Έχει υψηλή ηλεκτραρνητικότητα, που οδηγεί στο σχηματισμό αρκετών δεσμών όπως C =C, C =O, C =S και C =N, μεταξύ άλλων.

Παρουσία αλλοτρόπων

Λόγω της ικανότητας των ατόμων άνθρακα να σχηματίζουν δεσμούς p – p, ο άνθρακας μπορεί να εμφανίσει διάφορες αλλοτροπικές μορφές. Υπάρχουν τρία αλλότροπα καθαρού άνθρακα:διαμάντι, γραφίτης και buckyballs (buckminsterfullerene).

Σε αυτές τις αλλοτροπικές μορφές, τα άτομα άνθρακα ενώνονται με τη βοήθεια πολύ ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών. Η διάταξη αυτών των ομοιοπολικών δεσμών είναι δραστικά διαφορετική, οδηγώντας σε πολύ διαφορετικές ιδιότητες.

Διαμάντι

Το διαμάντι είναι ένα γιγάντιο μόριο που αποτελείται από άτομα άνθρακα. Αυτά τα άτομα είναι άχρωμα και διαφανή στη φύση. Με την αντανάκλαση του φωτός, τα άτομα διαμαντιού αστράφτουν και δημιουργούν ένα υπέροχο θέαμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα διαμαντιού ορίζονται συχνά ως «λαμπερά». Σήμερα, τα διαμάντια είναι συνήθως επιθυμητά ως μια μορφή κοσμήματος.

Εκτός από την εντυπωσιακή του εμφάνιση, το διαμάντι έχει πολύ σκληρή υφή και πολύ υψηλό σημείο τήξης. Για το σκοπό αυτό, τα διαμάντια χρησιμοποιούνται και για την κοπή εργαλείων. Για παράδειγμα, οι άκρες των δίσκων που χρησιμοποιούνται για την κοπή σκυροδέματος και τούβλων είναι κατασκευασμένες από διαμάντι. Το διαμάντι είναι αδιάλυτο στο νερό και δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο άτομο άνθρακα συνδέονται με ισχυρά ομοιοπολικά ηλεκτρόνια.

Γραφίτης

Ο γραφίτης είναι μια άλλη μοναδική αλλοτροπική μορφή άνθρακα. Η δομή του γραφίτη χτίζεται με τη βοήθεια της στρωματοποίησης των ατόμων άνθρακα. Στην εμφάνιση, ο γραφίτης είναι μαύρος, λαμπερός και αδιαφανής. Χρησιμοποιείται συχνά σε καλώδια μολυβιού επειδή μπορεί να γλιστρήσει εύκολα σε χαρτί. Εκτός από μολύβια, γραφίτη θα βρείτε σε πολλά βιομηχανικά λιπαντικά.

Ο γραφίτης είναι επίσης αδιάλυτος στο νερό και έχει υψηλό σημείο τήξης. Ωστόσο, σε αντίθεση με το διαμάντι, ο γραφίτης είναι ικανός να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Έτσι, οι ράβδοι γραφίτη χρησιμοποιούνται συχνά ως ηλεκτρόδια κατά τη χημική διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Στον γραφίτη, τα άτομα άνθρακα συνδέονται σε στρώματα με τη βοήθεια τριών ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών, αφήνοντας εφεδρικά ηλεκτρόνια. Αυτή η «θάλασσα ηλεκτρονίων» κάνει τον γραφίτη εξαιρετικό αγωγό του ηλεκτρισμού.

Νανοσωλήνες φουλερενίου

Το Buckminsterfullerene μπορεί να βρεθεί σε μορφή νανοσωλήνων. Σε αυτή τη μορφή άνθρακα, οι σωλήνες ατόμων μοριακής κλίμακας είναι διατεταγμένοι σε στρώματα (όπως στον γραφίτη). Αυτοί οι νανοσωλήνες έχουν πολύ υψηλό σημείο τήξης (λόγω της παρουσίας πολύ ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών).

Κάθε άτομο άνθρακα συνδέεται με άλλα τρία άτομα άνθρακα μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Υπάρχουν εφεδρικά ηλεκτρόνια και εδώ, που οδηγούν σε μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων. Αυτό καθιστά τους νανοσωλήνες εξαιρετικό αγωγό του ηλεκτρισμού επίσης.

Μοναδικές ιδιότητες του άνθρακα

• Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η μελέτη του άνθρακα και των ενώσεων άνθρακα είναι γνωστή ως οργανική χημεία. Ο επιπολασμός αυτού του στοιχείου είναι πολύ υψηλός στο περιβάλλον μας.

• Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν άνθρακα.

• Σχεδόν το 0,03 τοις εκατό του άνθρακα που υπάρχει στην ατμόσφαιρά μας έχει τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα.

• Ο άνθρακας υπάρχει στην ελεύθερη του κατάσταση με τη μορφή διαμαντιού, γραφίτη και φουλερενίων. Διαφορετικά, υπάρχει κυρίως στη συνδυασμένη κατάσταση. Το διοξείδιο του άνθρακα, τα ανθρακικά, τα ορυκτά καύσιμα, το ξύλο, το βαμβάκι και άλλες οργανικές ενώσεις είναι μερικές από τις πολλές συνδυασμένες μορφές του.

Συμπέρασμα

Ο άνθρακας είναι ένα ουσιαστικό στοιχείο, ο λόγος πίσω από την ίδια την ύπαρξη της οργανικής χημείας. Η μοναδική φυσική του δομή είναι ο λόγος πίσω από την ανώμαλη συμπεριφορά του άνθρακα. Η υψηλή ηλεκτραρνητικότητα λόγω της παρουσίας τεσσάρων ελεύθερων ηλεκτρονίων επιτρέπει στα άτομα άνθρακα να υποστούν τη διαδικασία κατένωσης.

Λόγω της κατένωσης, τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν διαφορετικά είδη ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ τους, οδηγώντας στο σχηματισμό αλλοτροπικών μορφών άνθρακα. Αυτά τα αλλότροπα άνθρακα έχουν διάφορους βιομηχανικούς σκοπούς.