Δέκα γεγονότα για τον άνθρακα, τη βάση της χημείας της ζωής

Ο άνθρακας είναι απαραίτητο στοιχείο για τη ζωή, καθώς είναι το κύριο συστατικό όλων των οργανικών ενώσεων. Μπορεί να είναι σε στοιχειακή μορφή, σχηματίζοντας άνθρακα ή διαμάντια και μπορεί να σχηματίσει ανόργανες ενώσεις, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO ₂ ), ένα θεμελιώδες μόριο στις διαδικασίες δέσμευσης ηλιακής ενέργειας από τα φυτά και στις διαδικασίες απελευθέρωσης ενέργειας με καύση. Ο ενεργός άνθρακας, οι ίνες άνθρακα, οι νανοσωλήνες και το γραφένιο είναι μερικές από τις ενώσεις και τα υλικά που έχουν το άτομο άνθρακα ως θεμελιώδες συστατικό.

Το άτομο άνθρακα έχει 6 πρωτόνια στον πυρήνα του και 6 ηλεκτρόνια στο περιβάλλον του, επομένως ο ατομικός του αριθμός είναι 6. Το πιο άφθονο ισότοπο στη φύση είναι αυτό που έχει επίσης 6 νετρόνια στον πυρήνα του, 12C, και από το 1961 χρησιμοποιείται αυτό το ισότοπο για τη μέτρηση της ατομικής μάζας όλων των στοιχείων, λαμβάνοντας ως μονάδα το δωδέκατο μέρος της μάζας των ¹² C. Το 98,89% των ατόμων άνθρακα στη φύση είναι ¹² C, αλλά υπάρχει και το ισότοπο που έχει ένα νετρόνιο περισσότερο στον πυρήνα, ¹³ C, που συμπληρώνει τη φυσική σύνθεση με 1,1%. Ένα άλλο σημαντικό ισότοπο του άνθρακα είναι ^{ο 14C} , ένα ραδιενεργό ισότοπο που διασπάται με χρόνο ημιζωής 5730 χρόνια. το ^14οΤο C παράγεται στην ατμόσφαιρα ως συνέπεια της αλληλεπίδρασης του αζώτου με τις κοσμικές ακτίνες και από την παραγωγή του ενσωματώνεται σε οργανικές διεργασίες και προϊόντα, μετατρέποντάς το σε φυσικό ρολόι που επιτρέπει τη χρονολόγηση ιστών και υλικών που περιέχουν άνθρακα ένα εύρος που κυμαίνεται μεταξύ 1000 και 50000 ετών.

Εδώ είναι δέκα γεγονότα για τον άνθρακα.

• Ο άνθρακας είναι ένα μη μεταλλικό στοιχείο που μπορεί να ενωθεί με τον εαυτό του και να σχηματίσει μια τεράστια ποικιλία χημικών ενώσεων, που υπολογίζεται ότι ξεπερνά τα δέκα εκατομμύρια.

• Όπως όλα τα στοιχεία, ο άνθρακας παρήχθη στα αστέρια μέσω αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης. Στα πρώτα στάδια της ανάπτυξής τους, τα αστέρια παράγουν ενέργεια με αντιδράσεις σύντηξης ατόμων υδρογόνου που παράγουν ήλιο, όπως συμβαίνει με τον Ήλιο. Όταν το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου έχει μετατραπεί σε ήλιο, η ενέργεια που παράγεται στην αντίδραση δεν μπορεί να εξισορροπήσει τη βαρυτική δύναμη και το αστέρι συμπιέζεται στον πυρήνα του, ενώ ο εξωτερικός του τομέας επεκτείνεται. Όταν τελειώσει η διαδικασία, η θερμοκρασία του πυρήνα φτάνει σε θερμοκρασίες της τάξης των 100 εκατομμυρίων Kelvin και λαμβάνει χώρα μια αντίδραση που ονομάζεται τριπλό άλφα, στην οποία τρεις πυρήνες ηλίου δημιουργούν ένα άτομο άνθρακα. Οι επόμενες διεργασίες μπορούν να δημιουργήσουν άλλα στοιχεία ή να διασκορπίσουν τα παραγόμενα στοιχεία,

• Ο άνθρακας είναι το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν, μετά το υδρογόνο, το ήλιο και το οξυγόνο, και είναι το δέκατο πέμπτο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης.

• Ο στοιχειακός άνθρακας μπορεί να πάρει τη μορφή ενός από τα πιο σκληρά και ακριβά υλικά που υπάρχουν, το διαμάντι, ή να σχηματίσει ένα μαλακό και φθηνό, τον γραφίτη. Το διαμάντι και ο γραφίτης είναι δύο αλλότροπα άνθρακα, αλλά στο διαμάντι τα άτομα είναι διατεταγμένα σε μια κυβική κρυσταλλική δομή που σχηματίζεται υπό ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, ενώ στον γραφίτη οι ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζουν εξαγωνικές κρυσταλλικές δομές διατεταγμένες σε επίπεδα.

• Σε κενό ή σε ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο, το διαμάντι μετατρέπεται σε γραφίτη στους 1.700 βαθμούς Κελσίου. Στον αέρα η μεταμόρφωση αρχίζει γύρω στους 700 βαθμούς Κελσίου. Το σημείο τήξης του γραφίτη είναι 3600 βαθμοί Κελσίου.

• Τα αλλότροπα του άνθρακα έχουν ποικίλες χρήσεις. Το διαμάντι είναι ένας πολύτιμος λίθος που έχει και βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της εξαιρετικής σκληρότητάς του. Ο γραφίτης χρησιμοποιείται αναμεμειγμένος με μια πάστα στην κορυφή των μολυβιών. Χρησιμοποιείται επίσης ως στερεό λιπαντικό και ως προστατευτικό στοιχείο κατά της οξείδωσης. Ο γραφίτης μπορεί να είναι συστατικό πυρίμαχων τούβλων και χωνευτηρίων. Διάφορα εξαρτήματα μηχανικής, όπως έμβολα, παρεμβύσματα κυλίνδρων, ροδέλες ή ρουλεμάν, κατασκευάζονται με γραφίτη. Λόγω της καλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του και της αντοχής του στη χημική προσβολή, χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλεκτροδίων και σε άλλες ηλεκτρικές εφαρμογές, όπως άνθρακες και βούρτσες ηλεκτροκινητήρων. Λόγω της ικανότητας συγκράτησης νετρονίων και της χαμηλής απορρόφησης νετρονίων,

• Ο άνθρακας είναι το βασικό στοιχείο της οργανικής χημείας, που ονομάζεται επίσης χημεία άνθρακα. Όλα τα οργανικά μόρια περιέχουν άνθρακα. Τα πιο απλά σχηματίζουν διαφορετικούς δεσμούς μεταξύ τους και συνδυάζονται μόνο με άτομα υδρογόνου, ενώ τα πιο πολύπλοκα περιλαμβάνουν άτομα οξυγόνου, αζώτου, φωσφόρου ή θείου, φτάνοντας στα υψηλότερα επίπεδα πολυπλοκότητας σε μόρια RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) και DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ). Ο μεγάλος αριθμός οργανικών ενώσεων οφείλεται στο γεγονός ότι το άτομο άνθρακα έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους, επομένως χρειάζεται άλλα τέσσερα για να σχηματίσει μια σταθερή κατάσταση σύμφωνα με τον κανόνα της οκτάδας. Με αυτόν τον τρόπο έχει τέσσερις δεσμούς διαθέσιμους για συνδυασμό με ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα στοιχεία ή με άλλα άτομα του ίδιου είδους.

• Τα πολυμερή αποτελούν μέρος της καθημερινότητάς μας με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Τα φυσικά πολυμερή, δηλαδή τα βιοπολυμερή, όπως και ένα μεγάλο μέρος των τεχνητών πολυμερών, είναι ενώσεις άνθρακα. Τα βιοπολυμερή είναι θεμελιώδη συστατικά της ζωής. Τα λιπίδια είναι βιοπολυμερή, τριγλυκερίδια των οποίων τα μονομερήΕίναι γλυκερίνη και λιπαρά οξέα. Και οι πρωτεΐνες είναι πολυπεπτίδια των οποίων τα μονομερή είναι αμινοξέα. Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα νουκλεϊκά οξέα. DNA και RNA, των οποίων τα μονομερή είναι νουκλεοτίδια που με τη σειρά τους αποτελούνται από αζωτούχες βάσεις, ριβόζη, η οποία είναι ένα σάκχαρο (ένας μονοσακχαρίτης που ονομάζεται πεντόζη) και μια φωσφορική ομάδα. Οι υδατάνθρακες είναι επίσης βιοπολυμερή. Οι πολυσακχαρίτες, όπως η κυτταρίνη και το άμυλο, και οι δισακχαρίτες, όπως η σακχαρόζη (το κοινό σάκχαρο) και η λακτόζη, είναι πολυμερή των οποίων τα μονομερή είναι μονοσακχαρίτες, απλά σάκχαρα, με τον πιο κοινό μονοσακχαρίτη να είναι η γλυκόζη. Το πιο άφθονο βιοπολυμερές είναι η κυτταρίνη, που αποτελεί την πλειοψηφία της βιομάζας της Γης καθώς αποτελεί συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των περισσότερων φυτών. Βρίσκεται στην πιο αγνή του μορφή στο βαμβάκι και είναι το κύριο συστατικό του χαρτιού και πολλών άλλων προϊόντων που χρησιμοποιούμε σε καθημερινή βάση. Μεταξύ των τεχνητών πολυμερών, αυτό που περιλαμβάνει την ευκολότερη διαδικασία σχηματισμού είναι το πολυαιθυλένιο, ένα ευρέως διαδεδομένο και χρησιμοποιούμενο πλαστικό. Το μονομερές του πολυαιθυλενίου είναι το αιθυλένιο, ένα απλό οργανικό μόριο που έχει δύο άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με διπλό δεσμό μαζί με δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα σε κάθε άτομο άνθρακα. Εάν ο διπλός δεσμός σπάσει, καθένα από τα άτομα άνθρακα έχει διαθέσιμο ομοιοπολικό δεσμό για να ενώσει άλλα άτομα, που αποτελεί τη δομική μονάδα που θα σχηματίσει το πολυμερές. Η επαναλαμβανόμενη ένωση αυτής της δομικής μονάδας δημιουργεί ένα μακρύ γραμμικό μόριο, χωρίς διακλαδώσεις, το οποίο είναι το πολυαιθυλένιο.

• Ένα από τα ισχυρότερα υλικά που μπορούν να κατασκευαστούν είναι οι ανθρακονήματα. Ονομάζεται επίσης ίνα γραφίτη, η ίνα άνθρακα είναι μια συνθετική ίνα που αποτελείται από πολύ λεπτά νήματα, διαμέτρου 5 έως 10 microns, ενός πολυμερούς του οποίου το κύριο στοιχείο είναι ο άνθρακας. Με την ύφανση και την επεξεργασία χιλιάδων από αυτά τα λεπτά νήματα, λαμβάνεται μια ίνα άνθρακα. Αυτά τα νήματα έχουν υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, επομένως είναι εξαιρετικά ισχυρά δεδομένου του πάχους τους. Ο νανοσωλήνας άνθρακα θεωρείται το ισχυρότερο υλικό που μπορεί να κατασκευαστεί και οι ίνες άνθρακα γενικά θεωρούνται ότι έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τον χάλυβα, είναι πολύ ελαφρύτεροι και με πυκνότητα παρόμοια με το ξύλο ή το πλαστικό. Υπάρχουν πολλαπλές εφαρμογές των ινών άνθρακα. Στην κατασκευή,

• Ο κύκλος του άνθρακα είναι μια ακολουθία γεγονότων που είναι απαραίτητα για τη ζωή στη Γη. Οι διεργασίες του κύκλου του άνθρακα ομαδοποιούνται σε διεργασίες στην ατμόσφαιρα, σε διεργασίες στην επίγεια βιόσφαιρα, σε διεργασίες στους ωκεανούς, σε ιζήματα, συμπεριλαμβανομένων των ορυκτών καυσίμων και συστημάτων γλυκού νερού, και σε διεργασίες εντός της Γης. Στην ατμόσφαιρα, ο άνθρακας βρίσκεται κυρίως με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου. Το διοξείδιο του άνθρακα εξάγεται από την ατμόσφαιρα σε χερσαίες και θαλάσσιες βιόσφαιρες μέσω της φωτοσύνθεσης και επίσης διαλύεται σε υδάτινα σώματα για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ. Ο άνθρακας στη γήινη βιόσφαιρα περιλαμβάνει οργανικό άνθρακα από όλους τους ζωντανούς και νεκρούς οργανισμούς, καθώς και άνθρακα που αποθηκεύεται στα εδάφη. Το μεγαλύτερο μέρος του άνθρακα στην επίγεια βιόσφαιρα είναι οργανικό, ενώ ένα τρίτο είναι σε ανόργανες μορφές, όπως το ανθρακικό ασβέστιο. Ο άνθρακας διαφεύγει από τη γήινη βιόσφαιρα μέσω της καύσης και της αναπνοής, αν και μπορεί επίσης να εξαχθεί σε θαλάσσια συστήματα μέσω ποταμών ή να διατηρηθεί στα εδάφη ως αδρανής άνθρακας. Τα θαλάσσια συστήματα περιέχουν τη μεγαλύτερη ποσότητα άνθρακα που σχετίζεται με τον βιογεωχημικό τους κύκλο. Ο κύριος τρόπος με τον οποίο ο άνθρακας εισέρχεται στα θαλάσσια συστήματα είναι με τη διάλυση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε οργανικό άνθρακα μέσω της φωτοσύνθεσης που πραγματοποιείται από θαλάσσιους οργανισμούς. ή κατακρατείται στα εδάφη ως αδρανής άνθρακας. Τα θαλάσσια συστήματα περιέχουν τη μεγαλύτερη ποσότητα άνθρακα που σχετίζεται με τον βιογεωχημικό τους κύκλο. Ο κύριος τρόπος με τον οποίο ο άνθρακας εισέρχεται στα θαλάσσια συστήματα είναι με τη διάλυση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε οργανικό άνθρακα μέσω της φωτοσύνθεσης που πραγματοποιείται από θαλάσσιους οργανισμούς. ή κατακρατείται στα εδάφη ως αδρανής άνθρακας. Τα θαλάσσια συστήματα περιέχουν τη μεγαλύτερη ποσότητα άνθρακα που σχετίζεται με τον βιογεωχημικό τους κύκλο. Ο κύριος τρόπος με τον οποίο ο άνθρακας εισέρχεται στα θαλάσσια συστήματα είναι με τη διάλυση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε οργανικό άνθρακα μέσω της φωτοσύνθεσης που πραγματοποιείται από θαλάσσιους οργανισμούς.

Πηγές

Άννα Ντέμινγκ. Βασιλιάς των στοιχείων; Nanotechnology Νο 21, 2010.

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

Laura Gasque Silva. Ανθρακας. Το στοιχείο με πολλαπλές προσωπικότητες. Πώς βλέπετε; Περιοδικό, Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού, 2019.

RJ Young, PA Lovell Εισαγωγή στα πολυμερή. Τρίτη έκδοση. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.