Tíz tény a szénről, az élet kémiájának alapjáról

A szén az élethez nélkülözhetetlen elem, mivel minden szerves vegyület fő alkotóeleme . Lehet elemi formában, szenet vagy gyémántot képezve, és szervetlen vegyületeket is képezhet, például szén-dioxidot (CO ₂ ), amely alapvető molekula a napenergia növények általi megkötésében és az égés útján történő energiafelszabadítás folyamatában. Az aktív szén, a szénszálak, a nanocsövek és a grafén olyan vegyületek és anyagok, amelyekben a szénatom az alapvető összetevő.

A szénatom atommagjában 6 proton, környezetében 6 elektron található, így rendszáma 6. A természetben a legnagyobb mennyiségben előforduló izotóp az, amelynek az atommagjában is 6 neutron van, a 12C, és 1961 óta ezt az izotópot használják. minden elem atomtömegének mérésére, a ¹² C-os tömeg tizenkettedik részét véve egységnek. A természetben a szénatomok 98,89%-a ¹² C-os, de van az az izotóp is, amelynek a magban neutronnal több van, ¹³ C, ami 1,1%-kal teszi teljessé a természetes összetételt. A szén másik fontos izotópja ^{a 14C} , egy radioaktív izotóp, amelynek felezési ideje 5730 év. a ¹⁴A C a légkörben a nitrogén és a kozmikus sugarak kölcsönhatása következtében keletkezik, majd termeléséből szerves folyamatokba és termékekbe integrálódik, így természetes órává alakul, amely lehetővé teszi a széntartalmú szövetek és anyagok kormeghatározását. hatótávolság 1000 és 50000 év közé esik.

Íme tíz tény a szénről.

• A szén egy nem fémes elem, amely önmagával egyesülve kémiai vegyületek rendkívül sokféleségét képezheti, becslések szerint több mint tízmillió.

• Mint minden elem, a szén a csillagokban magfúziós reakciók révén keletkezett. Fejlődésük korai szakaszában a csillagok héliumot termelő hidrogénatomok fúziós reakcióival termelnek energiát, mint a Nap esetében. Amikor a hidrogén nagy része héliummá alakult, a reakció során keletkező energia nem tudja kiegyenlíteni a gravitációt. erő és a csillag a magjában tömörül, míg a külső szektora kitágul. A folyamat végén az atommag hőmérséklete eléri a 100 millió Kelvin nagyságrendű hőmérsékletet, és végbemegy a tripla alfa reakció, amelyben három héliummag szénatomot hoz létre. A későbbi folyamatok más elemeket generálhatnak, vagy az előállított elemeket szétszórhatják,

• A szén a hidrogén, a hélium és az oxigén után a negyedik legelterjedtebb elem az univerzumban, és ez a tizenötödik legnagyobb mennyiségben előforduló elem a földkéregben.

• Az elemi szén felveheti a létező egyik legkeményebb és legdrágább anyag, a gyémánt formáját, vagy puha és olcsó anyagot, a grafitot. A gyémánt és a grafit a szén két allotrópja, de a gyémántban az atomok köbös kristályszerkezetben helyezkednek el, ami extrém nyomás és hőmérsékleti viszonyok között képződik, míg a grafitban a kovalens kötések rendezett hatszögletű kristályszerkezeteket alkotnak síkban.

• Vákuumban vagy oxigénmentes légkörben a gyémánt 1700 Celsius-fokon grafittá alakul. A levegőben az átalakulás 700 Celsius fok körül kezdődik. A grafit olvadáspontja 3600 Celsius fok.

• A szén allotrópjainak sokféle felhasználása van. A gyémánt olyan drágakő, amely rendkívüli keménysége miatt ipari felhasználásra is alkalmas. A grafitot pasztával keverve használják a ceruzák ólomrészében. Szilárd kenőanyagként és oxidáció elleni védőelemként is használják. A grafit tűzálló téglák és tégelyek alkotóeleme lehet. Különféle műszaki alkatrészeket, például dugattyúkat, hengertömítéseket, alátéteket vagy csapágyakat grafitból gyártanak. Jó elektromos vezetőképességének és vegyi hatásokkal szembeni ellenálló képességének köszönhetően elektródák készítésére és más elektromos alkalmazásokra, például szén- és elektromos motorkefékre használják. Neutronmérséklő képességének és alacsony neutronabszorpciójának köszönhetően

• A szén a szerves kémia, más néven szénkémia alapeleme. Minden szerves molekula tartalmaz szenet. A legegyszerűbbek különböző kötéseket alkotnak egymással, és csak hidrogénatomokkal kapcsolódnak össze, míg a legbonyolultabbak oxigén-, nitrogén-, foszfor- vagy kénatomokat tartalmaznak, amelyek az RNS (ribonukleinsav) és a DNS (dezoxiribonukleinsav) molekuláiban érik el a legmagasabb komplexitási szintet. A szerves vegyületek nagy száma abból adódik, hogy a szénatom vegyértékhéjában négy elektron van, így az oktettszabály szerint további négy elektronra van szüksége a stabil állapot kialakításához. Ily módon négy kötés áll rendelkezésére, amelyek kovalens kötéssel egyesíthetők más elemekkel vagy ugyanazon fajhoz tartozó más atomokkal.

• A polimerek sokféle módon részei mindennapi életünknek. A természetes polimerek, vagyis a biopolimerek, mint a mesterséges polimerek nagy része, szénvegyületek. A biopolimerek az élet alapvető alkotóelemei. A lipidek biopolimerek, trigliceridek, amelyek monomereiEzek glicerin és zsírsavak. A fehérjék pedig olyan polipeptidek, amelyek monomerjei aminosavak. Egy másik példa a nukleinsavak. DNS és RNS, amelyek monomerei nukleotidok, amelyek viszont nitrogénbázisokból, ribózból, amely egy cukor (egy pentóznak nevezett monoszacharid) és egy foszfátcsoportból állnak. A szénhidrátok is biopolimerek. A poliszacharidok, például a cellulóz és a keményítő, valamint a diszacharidok, például a szacharóz (a közönséges cukor) és a laktóz olyan polimerek, amelyek monomerei monoszacharidok, egyszerű cukrok, a leggyakoribb monoszacharid a glükóz. A legelterjedtebb biopolimer a cellulóz, amely a Föld biomasszájának nagy részét alkotja, mivel a legtöbb növény sejtfalának alkotóeleme. A legtisztább formában a pamutban található, és a papír és sok más, általunk napi rendszerességgel használt termék fő összetevője. A mesterséges polimerek közül a polietilén, amely egy széles körben elterjedt és használt műanyag, a legkönnyebben előállítható. A polietilén monomerje az etilén, egy egyszerű szerves molekula, amelynek két szénatomja kettős kötéssel kapcsolódik, valamint két hidrogénatom kapcsolódik minden szénatomhoz. Ha a kettős kötés megszakad, minden szénatomnak van kovalens kötése, amely más atomokhoz kapcsolódhat, és ez alkotja a polimert alkotó szerkezeti egységet. Ennek a szerkezeti egységnek az ismételt egyesülése egy hosszú lineáris, elágazás nélküli molekulát hoz létre, amely polietilén.

• Az egyik legerősebb anyag, ami elkészíthető, a szénszál. Grafitszálnak is nevezik, a szénszál olyan szintetikus szál, amely nagyon finom, 5-10 mikron átmérőjű polimer szálakból áll, amelynek fő eleme a szén. Több ezer ilyen vékony szál szövésével és feldolgozásával szénszálat kapunk. Ezeknek a szálaknak nagy a szakítószilárdsága, így vastagságukhoz képest rendkívül erősek. A szén nanocsövet a legerősebb elkészíthető anyagnak tartják, a szénszálak pedig általában az acélhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, sokkal könnyebbek és sűrűségük hasonló a fához vagy a műanyaghoz. A szénszálaknak többféle alkalmazása létezik. Az építkezésben,

• A szénciklus a földi élethez elengedhetetlen események sorozata. A szénciklus folyamatai a légkörben, a szárazföldi bioszférában, az óceánokban, az üledékekben, beleértve a fosszilis tüzelőanyagokat és az édesvízi rendszereket, valamint a szárazföldön zajló folyamatokba sorolhatók. A légkörben a szén főként szén-dioxid és metán formájában található. A szén-dioxid a légkörből fotoszintézis útján kivonódik a szárazföldi és tengeri bioszférákba, és a víztestekben is feloldódik, szénsavat képezve. A szárazföldi bioszférában található szén tartalmazza az összes élő és holt szervezet szerves szenet, valamint a talajban tárolt szenet. A szárazföldi bioszférában található szén nagy része szerves, míg egy harmadik szervetlen formában van, például kalcium-karbonátban. A szén égés és légzés útján távozik a szárazföldi bioszférából, bár a folyókon keresztül a tengeri rendszerekbe is exportálható, vagy inert szénként visszatartható a talajban. A tengeri rendszerek tartalmazzák a biogeokémiai ciklusukhoz kapcsolódó legnagyobb mennyiségű szenet. A szén fő útja a tengeri rendszerekbe a légköri szén-dioxid feloldása, amely azután a tengeri élőlények által végzett fotoszintézis révén szerves szénné alakul. vagy inert szénként megmarad a talajban. A tengeri rendszerek tartalmazzák a biogeokémiai ciklusukhoz kapcsolódó legnagyobb mennyiségű szenet. A szén fő útja a tengeri rendszerekbe a légköri szén-dioxid feloldása, amely azután a tengeri élőlények által végzett fotoszintézis révén szerves szénné alakul. vagy inert szénként megmarad a talajban. A tengeri rendszerek tartalmazzák a biogeokémiai ciklusukhoz kapcsolódó legnagyobb mennyiségű szenet. A szén fő útja a tengeri rendszerekbe a légköri szén-dioxid feloldása, amely azután a tengeri élőlények által végzett fotoszintézis révén szerves szénné alakul.

Források

Anna Deming. Az elemek királya? Nanotechnológia 2010. 21. sz.

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

Laura Gasque Silva. Szén. Több személyiséggel rendelkező elem. Hogyan látod? Magazin, National Autonomous University of Mexico, 2019.

RJ Young, PA Lovell Bevezetés a polimerekbe. Harmadik kiadás. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.