Ti fakta om kulstof, grundlaget for livets kemi

Kulstof er et væsentligt element for livet, da det er hovedbestanddelen af ​​alle organiske forbindelser. Det kan være i elementær form, der danner kulstof eller diamanter, og det kan danne uorganiske forbindelser, såsom kuldioxid (CO 2 ₎ , et fundamentalt molekyle i processerne med at opfange solenergi af planter og i processerne med at frigive energi ved forbrænding. Aktivt kul, kulfibre, nanorør og grafen er nogle af de forbindelser og materialer, der har kulstofatomet som en grundlæggende komponent.

Kulstofatomet har 6 protoner i sin kerne og 6 elektroner i sit miljø, så dets atomnummer er 6. Den mest udbredte isotop i naturen er den, der også har 6 neutroner i sin kerne, 12C, og siden 1961 er denne isotop brugt at måle atommassen af ​​alle grundstofferne, idet man tager som en enhed den tolvte del af massen af ^​​12 C. 98,89% af kulstofatomerne i naturen er ¹² C, men der er også isotopen, der har en neutron mere i kernen , ¹³ C, hvilket fuldender den naturlige sammensætning med 1,1%. En anden vigtig isotop af kulstof er ^14C , en radioaktiv isotop, der henfalder med en halveringstid på 5730 år. den ¹⁴C produceres i atmosfæren som en konsekvens af vekselvirkningen mellem nitrogen og kosmiske stråler, og fra produktionen integreres det i organiske processer og produkter og transformerer det til et naturligt ur, der tillader datering af stoffer og materialer, der indeholder kulstof i et interval, der går mellem 1000 og 50000 år.

Her er ti fakta om kulstof.

• Kulstof er et ikke-metallisk grundstof, der kan forene sig med sig selv og danne en enorm række af kemiske forbindelser, et anslået antal på mere end ti millioner.

• Som alle grundstoffer blev kulstof produceret i stjerner gennem kernefusionsreaktioner. I de tidlige stadier af deres udvikling producerer stjerner energi ved fusionsreaktioner af brintatomer, der producerer helium, som det er tilfældet med Solen Når det meste af brinten er blevet omdannet til helium, kan den energi, der produceres i reaktionen, ikke balancere tyngdekraften kraft og stjernen komprimerer i sin kerne, mens dens ydre sektor udvider sig. Når processen slutter, når kernens temperatur temperaturer i størrelsesordenen 100 millioner Kelvin, og der finder en reaktion kaldet triple alpha sted, hvor tre heliumkerner danner et kulstofatom. Efterfølgende processer kan generere andre elementer eller sprede de producerede elementer,

• Kulstof er det fjerde mest udbredte grundstof i universet, efter brint, helium og oxygen, og det er det femtende mest udbredte grundstof i jordskorpen.

• Elementært kulstof kan tage form af et af de hårdeste og dyreste materialer, der findes, diamant, eller danne et blødt og billigt, grafit. Diamant og grafit er to allotroper af kulstof, men i diamant er atomerne arrangeret i en kubisk krystalstruktur, der dannes under ekstreme tryk- og temperaturforhold, mens de kovalente bindinger i grafit danner hexagonale krystalstrukturer arrangeret i planer, der overlapper hinanden.

• I et vakuum eller i en iltfri atmosfære bliver diamant til grafit ved 1.700 grader Celsius. I luften begynder transformationen omkring 700 grader Celsius. Smeltepunktet for grafit er 3600 grader Celsius.

• Allotroper af kulstof har en række anvendelser. Diamant er en ædelsten, der også har industrielle anvendelser på grund af sin ekstreme hårdhed. Grafitten bruges blandet med en pasta i blyanterne. Det bruges også som et fast smøremiddel og som et beskyttende element mod oxidation. Grafit kan være en komponent i ildfaste mursten og digler. Forskellige tekniske dele, såsom stempler, cylinderpakninger, spændeskiver eller lejer, er fremstillet med grafit. På grund af dens gode elektriske ledningsevne og dens modstandsdygtighed over for kemiske angreb, bruges den til fremstilling af elektroder og i andre elektriske applikationer, såsom kulstof og elektriske motorbørster. På grund af dens neutronmoderationskapacitet og dens lave neutronabsorption,

• Kulstof er grundelementet i organisk kemi, også kaldet kulstofkemi. Alle organiske molekyler indeholder kulstof. De enkleste danner forskellige bindinger med hinanden og kombinerer kun med brintatomer, mens de mest komplekse omfatter oxygen-, nitrogen-, fosfor- eller svovlatomer, der når de højeste niveauer af kompleksitet i RNA (ribonukleinsyre) molekyler og af DNA (deoxyribonukleinsyre). Det store antal organiske forbindelser skyldes, at kulstofatomet har fire elektroner i sin valensskal, så det skal bruge yderligere fire for at danne en stabil tilstand efter oktetreglen. På denne måde har den fire bindinger tilgængelige til at kombinere ved kovalente bindinger med andre grundstoffer eller med andre atomer af samme art.

• Polymerer er en del af vores dagligdag på mange forskellige måder. Naturlige polymerer, det vil sige biopolymerer, er ligesom en stor del af kunstige polymerer kulstofforbindelser. Biopolymerer er grundlæggende komponenter i livet. Lipider er biopolymerer, triglycerider, hvis monomererDe er glycerol og fedtsyrer. Og proteiner er polypeptider, hvis monomerer er aminosyrer. Et andet eksempel er nukleinsyrer. DNA og RNA, hvis monomerer er nukleotider, der igen består af nitrogenholdige baser, ribose, som er et sukker (et monosaccharid kaldet pentose), og en fosfatgruppe. Kulhydrater er også biopolymerer. Polysaccharider, såsom cellulose og stivelse, og disaccharider, såsom saccharose (det almindelige sukker) og lactose, er polymerer, hvis monomerer er monosaccharider, simple sukkerarter, hvor det mest almindelige monosaccharid er glucose. Den mest udbredte biopolymer er cellulose, der udgør størstedelen af ​​jordens biomasse, da den er en bestanddel af cellevæggen i de fleste planter. Det findes i sin reneste form i bomuld og er hovedbestanddelen af ​​papir og mange andre produkter, som vi bruger til daglig. Blandt de kunstige polymerer er den, der involverer den nemmeste dannelsesproces, polyethylen, en udbredt og brugt plast. Monomeren af ​​polyethylen er ethylen, et simpelt organisk molekyle, der har to carbonatomer forbundet med en dobbeltbinding sammen med to hydrogenatomer knyttet til hvert carbonatom. Hvis dobbeltbindingen brydes, har hvert af carbonatomerne en kovalent binding tilgængelig til at forbinde andre atomer, der udgør den strukturelle enhed, der vil danne polymeren. Den gentagne forening af denne strukturelle enhed genererer et langt lineært molekyle uden forgreninger, som er polyethylen.

• Et af de stærkeste materialer, der kan laves, er kulfiber. Kulfiber, også kaldet grafitfiber, er en syntetisk fiber sammensat af meget fine filamenter, 5 til 10 mikrometer i diameter, af en polymer, hvis hovedelement er kulstof. Ved at væve og bearbejde tusindvis af disse tynde filamenter opnås en kulfiber. Disse filamenter har en høj trækstyrke, så de er ekstremt stærke i betragtning af deres tykkelse. Kulstofnanorøret anses for at være det stærkeste materiale, der kan fremstilles, og kulfibre anses generelt for at have egenskaber, der ligner stål, idet de er meget lettere og med en tæthed svarende til træ eller plast. Der er flere anvendelser af kulfiber. I byggeriet,

• Kulstofkredsløbet er en sekvens af begivenheder, der er afgørende for livet på Jorden. Processerne i kulstofkredsløbet er grupperet i processer i atmosfæren, processer i den terrestriske biosfære, processer i havene, i sedimenter, herunder fossile brændstoffer og ferskvandssystemer, og processer i landet. I atmosfæren findes kulstof hovedsageligt i form af kuldioxid og metan. Kuldioxid udvindes fra atmosfæren til terrestriske og marine biosfærer gennem fotosyntese, og det opløses også i vandmasser for at danne kulsyre. Kulstof i den terrestriske biosfære omfatter organisk kulstof fra alle levende og døde organismer samt kulstof lagret i jord. Det meste af kulstoffet i den terrestriske biosfære er organisk, mens en tredjedel er i uorganiske former, såsom calciumcarbonat. Kulstof undslipper den terrestriske biosfære gennem forbrænding og respiration, selvom det også kan eksporteres til marine systemer gennem floder eller tilbageholdes i jord som inert kulstof. Marine systemer indeholder den største mængde kulstof forbundet med deres biogeokemiske kredsløb. Den vigtigste måde, kulstof kommer ind i marine systemer på, er ved at opløse atmosfærisk kuldioxid, som derefter omdannes til organisk kulstof gennem fotosyntese udført af marine organismer. eller tilbageholdes i jord som inert kulstof. Marine systemer indeholder den største mængde kulstof forbundet med deres biogeokemiske kredsløb. Den vigtigste måde, kulstof kommer ind i marine systemer på, er ved at opløse atmosfærisk kuldioxid, som derefter omdannes til organisk kulstof gennem fotosyntese udført af marine organismer. eller tilbageholdes i jord som inert kulstof. Marine systemer indeholder den største mængde kulstof forbundet med deres biogeokemiske kredsløb. Den vigtigste måde, kulstof kommer ind i marine systemer på, er ved at opløse atmosfærisk kuldioxid, som derefter omdannes til organisk kulstof gennem fotosyntese udført af marine organismer.

Kilder

Anna Deming. Elementernes konge? Nanoteknologi nr. 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Ocean Biogeochemical Dynamics. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Kulstof. Elementet med flere personligheder. Hvordan ser du det? Magazine, National Autonomous University of Mexico, 2019.

RJ Young, PA Lovell Introduktion til polymerer. Tredje udgave. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.