Dziesięć faktów na temat węgla, podstawy chemii życia

Węgiel jest pierwiastkiem niezbędnym do życia, ponieważ jest głównym składnikiem wszystkich związków organicznych. Może występować w postaci elementarnej, tworząc węgiel lub diamenty, a także może tworzyć związki nieorganiczne, takie jak dwutlenek węgla (CO ₂ ), podstawowa cząsteczka w procesach pozyskiwania energii słonecznej przez rośliny oraz w procesach uwalniania energii przez spalanie. Węgiel aktywny, włókna węglowe, nanorurki i grafen to tylko niektóre związki i materiały, których podstawowym składnikiem jest atom węgla.

Atom węgla ma 6 protonów w jądrze i 6 elektronów w swoim otoczeniu, więc jego liczba atomowa wynosi 6. Najobficiej występującym izotopem w przyrodzie jest ten, który ma również 6 neutronów w swoim jądrze, 12C, a od 1961 roku izotop ten jest używany zmierzyć masę atomową wszystkich pierwiastków, przyjmując za jednostkę dwunastą część masy ¹² C. 98,89% atomów węgla w przyrodzie to ¹² C, ale jest też izotop, który ma więcej neutronów w jądrze , ¹³ C, co uzupełnia naturalny skład o 1,1%. Innym ważnym izotopem węgla jest ^14C , radioaktywny izotop, którego okres półtrwania wynosi 5730 lat. 14 ^_C powstaje w atmosferze w wyniku interakcji azotu z promieniami kosmicznymi, a z jego produkcji jest integrowany z procesami i produktami organicznymi, przekształcając go w naturalny zegar, który pozwala na datowanie tkanin i materiałów zawierających węgiel w zakres od 1000 do 50 000 lat.

Oto dziesięć faktów na temat węgla.

• Węgiel jest pierwiastkiem niemetalicznym, który może łączyć się ze sobą i tworzyć ogromną różnorodność związków chemicznych, których liczbę szacuje się na ponad dziesięć milionów.

• Podobnie jak wszystkie pierwiastki, węgiel powstał w gwiazdach w wyniku reakcji syntezy jądrowej. We wczesnych stadiach swojego rozwoju gwiazdy wytwarzają energię w reakcjach fuzji atomów wodoru, które wytwarzają hel, tak jak ma to miejsce w przypadku Słońca. Kiedy większość wodoru została przekształcona w hel, energia wytworzona w reakcji nie może zrównoważyć siły grawitacyjnej siła, a gwiazda kurczy się w swoim jądrze, podczas gdy jej zewnętrzny sektor rozszerza się. Po zakończeniu procesu temperatura jądra osiąga temperaturę rzędu 100 milionów kelwinów i zachodzi reakcja zwana potrójną alfa, w której trzy jądra helu generują atom węgla. Kolejne procesy mogą generować inne pierwiastki lub rozpraszać wytworzone pierwiastki,

• Węgiel jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie, i jest piętnastym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej.

• Węgiel elementarny może przybrać postać jednego z najtwardszych i najdroższych istniejących materiałów, diamentu, lub miękkiego i taniego grafitu. Diament i grafit to dwie odmiany alotropowe węgla, ale w diamencie atomy są ułożone w sześcienną strukturę krystaliczną, która tworzy się w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury, podczas gdy w graficie wiązania kowalencyjne tworzą heksagonalne struktury krystaliczne ułożone w płaszczyznach.

• W próżni lub w atmosferze beztlenowej diament zamienia się w grafit w temperaturze 1700 stopni Celsjusza. W powietrzu przemiana rozpoczyna się w temperaturze około 700 stopni Celsjusza. Temperatura topnienia grafitu wynosi 3600 stopni Celsjusza.

• Alotropy węgla mają różnorodne zastosowania. Diament to kamień szlachetny, który ze względu na swoją wyjątkową twardość ma również zastosowania przemysłowe. Grafit jest używany zmieszany z pastą w końcówce ołówków. Stosowany jest również jako smar stały oraz jako element ochronny przed utlenianiem. Grafit może być składnikiem cegieł i tygli ogniotrwałych. Z grafitu produkowane są różne części inżynieryjne, takie jak tłoki, uszczelki cylindrów, podkładki lub łożyska. Ze względu na dobrą przewodność elektryczną i odporność na działanie substancji chemicznych jest używany do produkcji elektrod i innych zastosowań elektrycznych, takich jak węgle i szczotki silników elektrycznych. Ze względu na zdolność moderowania neutronów i niską absorpcję neutronów,

• Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem chemii organicznej, zwanej również chemią węgla. Wszystkie cząsteczki organiczne zawierają węgiel. Najprostsze tworzą ze sobą różne wiązania i łączą się tylko z atomami wodoru, podczas gdy najbardziej złożone obejmują atomy tlenu, azotu, fosforu lub siarki, osiągając najwyższy poziom złożoności w cząsteczkach RNA (kwasu rybonukleinowego) i DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego). Duża liczba związków organicznych wynika z faktu, że atom węgla ma cztery elektrony na powłoce walencyjnej, więc potrzebuje kolejnych czterech, aby utworzyć stan stabilny zgodnie z regułą oktetu. W ten sposób ma cztery wiązania, które może łączyć się wiązaniami kowalencyjnymi z innymi pierwiastkami lub z innymi atomami tego samego gatunku.

• Polimery są częścią naszego codziennego życia na wiele różnych sposobów. Polimery naturalne, czyli biopolimery, podobnie jak duża część polimerów sztucznych, są związkami węgla. Biopolimery są podstawowymi składnikami życia. Lipidy to biopolimery, trójglicerydy, których monomerySą to gliceryna i kwasy tłuszczowe. A białka to polipeptydy, których monomerami są aminokwasy. Innym przykładem są kwasy nukleinowe. DNA i RNA, których monomerami są nukleotydy, które z kolei składają się z zasad azotowych, rybozy, która jest cukrem (monosacharyd zwany pentozą) i grupy fosforanowej. Węglowodany to także biopolimery. Polisacharydy, takie jak celuloza i skrobia, oraz disacharydy, takie jak sacharoza (zwykły cukier) i laktoza, to polimery, których monomerami są monosacharydy, cukry proste, z których najczęstszym monosacharydem jest glukoza. Najobficiej występującym biopolimerem jest celuloza, która stanowi większość biomasy Ziemi, ponieważ jest składnikiem ściany komórkowej większości roślin. Występuje w najczystszej postaci w bawełnie i jest głównym składnikiem papieru oraz wielu innych produktów, których używamy na co dzień. Wśród polimerów sztucznych najłatwiejszym procesem formowania jest polietylen, szeroko rozpowszechnione i stosowane tworzywo sztuczne. Monomerem polietylenu jest etylen, prosta cząsteczka organiczna, która ma dwa atomy węgla połączone podwójnym wiązaniem oraz dwa atomy wodoru przyłączone do każdego atomu węgla. Jeśli podwójne wiązanie zostanie zerwane, każdy z atomów węgla ma wiązanie kowalencyjne dostępne do łączenia innych atomów, stanowiących jednostkę strukturalną, która utworzy polimer. Powtarzające się połączenie tej jednostki strukturalnej generuje długą, liniową cząsteczkę, bez rozgałęzień, którą jest polietylen.

• Jednym z najmocniejszych materiałów, jakie można wykonać, jest włókno węglowe. Zwane także włóknem grafitowym, włókno węglowe jest włóknem syntetycznym składającym się z bardzo drobnych włókien o średnicy od 5 do 10 mikronów, polimeru, którego głównym elementem jest węgiel. Tkając i przetwarzając tysiące tych cienkich włókien, uzyskuje się włókno węglowe. Włókna te mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie, dzięki czemu są niezwykle wytrzymałe, biorąc pod uwagę ich grubość. Nanorurki węglowe są uważane za najmocniejszy materiał, jaki można wytworzyć, a włókna węglowe mają właściwości podobne do stali, ponieważ są znacznie lżejsze i mają gęstość podobną do drewna lub tworzywa sztucznego. Istnieje wiele zastosowań włókien węglowych. w budowie,

• Cykl węglowy to sekwencja zdarzeń niezbędnych do życia na Ziemi. Procesy obiegu węgla są pogrupowane na procesy w atmosferze, te w biosferze lądowej, procesy w oceanach, w osadach, w tym w paliwach kopalnych i systemach słodkowodnych, oraz procesy w Lądzie. W atmosferze węgiel występuje głównie w postaci dwutlenku węgla i metanu. Dwutlenek węgla jest wydobywany z atmosfery do biosfery lądowej i morskiej w procesie fotosyntezy, a także rozpuszcza się w zbiornikach wodnych, tworząc kwas węglowy. Węgiel w biosferze lądowej obejmuje węgiel organiczny ze wszystkich żywych i martwych organizmów, a także węgiel zmagazynowany w glebie. Większość węgla w ziemskiej biosferze to węgiel organiczny, podczas gdy trzecia występuje w formach nieorganicznych, takich jak węglan wapnia. Węgiel ucieka z biosfery lądowej poprzez spalanie i oddychanie, chociaż może być również eksportowany do systemów morskich przez rzeki lub zatrzymywany w glebie jako węgiel obojętny. Systemy morskie zawierają największą ilość węgla związanego z ich cyklem biogeochemicznym. Głównym sposobem, w jaki węgiel dostaje się do systemów morskich, jest rozpuszczanie atmosferycznego dwutlenku węgla, który jest następnie przekształcany w węgiel organiczny w procesie fotosyntezy przeprowadzanej przez organizmy morskie. lub zatrzymywane w glebie jako węgiel obojętny. Systemy morskie zawierają największą ilość węgla związanego z ich cyklem biogeochemicznym. Głównym sposobem, w jaki węgiel dostaje się do systemów morskich, jest rozpuszczanie atmosferycznego dwutlenku węgla, który jest następnie przekształcany w węgiel organiczny w procesie fotosyntezy przeprowadzanej przez organizmy morskie. lub zatrzymywane w glebie jako węgiel obojętny. Systemy morskie zawierają największą ilość węgla związanego z ich cyklem biogeochemicznym. Głównym sposobem, w jaki węgiel dostaje się do systemów morskich, jest rozpuszczanie atmosferycznego dwutlenku węgla, który jest następnie przekształcany w węgiel organiczny w procesie fotosyntezy przeprowadzanej przez organizmy morskie.

Źródła

Annę Deming. Król żywiołów? Nanotechnologia nr 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Dynamika biogeochemiczna oceanów. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Węgiel. Element o wielu osobowościach. How you see? Magazine, National Autonomous University of Mexico, 2019.

RJ Young, PA Lovell Wprowadzenie do polimerów. Trzecia edycja. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.