Zece fapte despre carbon, baza chimiei vieții

Carbonul este un element esențial pentru viață, deoarece este principalul constituent al tuturor compușilor organici. Poate fi sub formă elementară, formând carbon sau diamante, și poate forma compuși anorganici, precum dioxidul de carbon (CO ₂ ), o moleculă fundamentală în procesele de captare a energiei solare de către plante și în procesele de eliberare a energiei prin ardere. Cărbunele activat, fibrele de carbon, nanotuburile și grafenul sunt câțiva dintre compușii și materialele care au atomul de carbon ca componentă fundamentală.

Atomul de carbon are 6 protoni în nucleu și 6 electroni în mediul său, deci numărul său atomic este 6. Cel mai abundent izotop din natură este cel care are și 6 neutroni în nucleu, 12C, iar din 1961 Acest izotop este folosit. pentru a măsura masa atomică a tuturor elementelor, luând ca unitate a douăsprezecea parte a masei de ¹² C. 98,89% din atomii de carbon din natură sunt ¹² C, dar există și izotopul care are un neutron mai mult în nucleu, ¹³ C, care completează compoziția naturală cu 1,1%. Un alt izotop important al carbonului este ^14C , un izotop radioactiv care se descompune cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani. al ^14-leaC este produs în atmosferă ca o consecință a interacțiunii azotului cu razele cosmice, iar din producerea acestuia este integrat în procese și produse organice, transformându-l astfel într-un ceas natural care permite datarea țesuturilor și materialelor care conțin carbon în un interval care se întinde între 1000 și 50000 de ani.

Iată zece fapte despre carbon.

• Carbonul este un element nemetalic care se poate uni cu el însuși și poate forma o varietate imensă de compuși chimici, un număr estimat de peste zece milioane.

• Ca toate elementele, carbonul a fost produs în stele prin reacții de fuziune nucleară. În primele etape ale dezvoltării lor, stelele produc energie prin reacții de fuziune a atomilor de hidrogen care produc heliu, așa cum este cazul Soarelui. Când cea mai mare parte a hidrogenului a fost transformat în heliu, energia produsă în reacție nu poate echilibra gravitația. forță și steaua se compactează în miez, în timp ce sectorul său exterior se extinde. Când procesul se încheie, temperatura nucleului atinge temperaturi de ordinul a 100 milioane Kelvin și are loc o reacție numită triplu alfa, în care trei nuclee de heliu generează un atom de carbon. Procesele ulterioare pot genera alte elemente sau pot dispersa elementele produse,

• Carbonul este al patrulea element cel mai abundent din univers, după hidrogen, heliu și oxigen, și este al cincisprezecelea cel mai abundent element din scoarța terestră.

• Carbonul elementar poate lua forma unuia dintre cele mai dure și mai scumpe materiale existente, diamantul, sau poate forma unul moale și ieftin, grafitul. Diamantul și grafitul sunt doi alotropi ai carbonului, dar în diamant atomii sunt aranjați într-o structură cristalină cubică care se formează în condiții extreme de presiune și temperatură, în timp ce în grafit legăturile covalente formează structuri cristaline hexagonale ordonate în planuri.

• În vid sau într-o atmosferă fără oxigen, diamantul se transformă în grafit la 1.700 de grade Celsius. În aer, transformarea începe în jur de 700 de grade Celsius. Punctul de topire al grafitului este de 3600 de grade Celsius.

• Alotropii carbonului au o varietate de utilizări. Diamantul este o piatră prețioasă care are și aplicații industriale datorită durității sale extreme. Grafitul se folosește amestecat cu o pastă în mina creioanelor. De asemenea, este folosit ca lubrifiant solid și ca element de protecție împotriva oxidării. Grafitul poate fi o componentă a cărămizilor și creuzetelor refractare. Diverse piese de inginerie, cum ar fi pistoanele, garniturile cilindrilor, șaibe sau rulmenți, sunt fabricate cu grafit. Datorită bunei sale conductivitati electrice și rezistenței sale la atacuri chimice, este folosit la fabricarea electrozilor și în alte aplicații electrice, cum ar fi carboni și perii pentru motoare electrice. Datorită capacității sale de moderare a neutronilor și absorbției sale scăzute de neutroni,

• Carbonul este elementul de bază al chimiei organice, numit și chimia carbonului. Toate moleculele organice conțin carbon. Cele mai simple formează diferite legături între ele și se combină doar cu atomii de hidrogen, în timp ce cele mai complexe includ atomii de oxigen, azot, fosfor sau sulf, atingând cele mai înalte niveluri de complexitate în moleculele de ARN (acid ribonucleic) și de ADN (acid dezoxiribonucleic). Numărul mare de compuși organici se datorează faptului că atomul de carbon are patru electroni în învelișul său de valență, deci are nevoie de alți patru pentru a forma o stare stabilă conform regulii octetului. În acest fel are disponibile patru legături pentru a se combina prin legături covalente cu alte elemente sau cu alți atomi din aceeași specie.

• Polimerii fac parte din viața noastră de zi cu zi în multe moduri diferite. Polimerii naturali, adică biopolimerii, ca o mare parte a polimerilor artificiali, sunt compuși de carbon. Biopolimerii sunt componente fundamentale ale vieții. Lipidele sunt biopolimeri, trigliceride ai căror monomeriSunt glicerol și acizi grași. Și proteinele sunt polipeptide ai căror monomeri sunt aminoacizi. Un alt exemplu sunt acizii nucleici. ADN și ARN, ai căror monomeri sunt nucleotide care la rândul lor sunt formate din baze azotate, riboză, care este un zahăr (o monozaharid numită pentoză) și o grupă fosfat. Carbohidrații sunt, de asemenea, biopolimeri. Polizaharidele, precum celuloza și amidonul, și dizaharidele, precum zaharoza (zahărul obișnuit) și lactoza, sunt polimeri ai căror monomeri sunt monozaharide, zaharuri simple, cea mai comună monozaharidă fiind glucoza. Cel mai abundent biopolimer este celuloza, formând cea mai mare parte a biomasei Pământului, deoarece este un component al peretelui celular al majorității plantelor. Se gaseste in cea mai pura forma in bumbac si este componenta principala a hartiei si a multor alte produse pe care le folosim zilnic. Dintre polimerii artificiali, cel care implică cel mai simplu proces de formare este polietilena, un plastic larg răspândit și folosit. Monomerul polietilenei este etilena, o moleculă organică simplă care are doi atomi de carbon legați printr-o legătură dublă împreună cu doi atomi de hidrogen atașați la fiecare atom de carbon. Dacă legătura dublă este ruptă, fiecare dintre atomii de carbon are o legătură covalentă disponibilă pentru a uni alți atomi, constituind unitatea structurală care va forma polimerul. Unirea repetată a acestei unități structurale generează o moleculă liniară lungă, fără ramificații, care este polietilena.

• Unul dintre cele mai rezistente materiale care pot fi realizate este fibra de carbon. Numită și fibră de grafit, fibra de carbon este o fibră sintetică compusă din filamente foarte fine, de 5 până la 10 microni în diametru, dintr-un polimer al cărui element principal este carbonul. Prin țeserea și prelucrarea a mii de aceste filamente subțiri se obține o fibră de carbon. Aceste filamente au o rezistență mare la tracțiune, deci sunt extrem de puternice având în vedere grosimea lor. Nanotubul de carbon este considerat cel mai rezistent material care poate fi realizat, iar fibrele de carbon sunt in general considerate ca au proprietati asemanatoare cu otelul, fiind mult mai usoare si cu o densitate asemanatoare lemnului sau plasticului. Există mai multe aplicații ale fibrelor de carbon. In constructie,

• Ciclul carbonului este o succesiune de evenimente esențiale pentru viața pe Pământ. Procesele ciclului carbonului sunt grupate în procese din atmosferă, cele din biosfera terestră, procese din oceane, în sedimente, inclusiv combustibili fosili și sisteme de apă dulce și procese din Țara. În atmosferă, carbonul se găsește în principal sub formă de dioxid de carbon și metan. Dioxidul de carbon este extras din atmosferă în biosferele terestre și marine prin fotosinteză și, de asemenea, se dizolvă în corpurile de apă pentru a forma acid carbonic. Carbonul din biosfera terestră include carbonul organic din toate organismele vii și moarte, precum și carbonul stocat în sol. Majoritatea carbonului din biosfera terestră este organic, în timp ce o treime este în forme anorganice, cum ar fi carbonatul de calciu. Carbonul scapă din biosfera terestră prin ardere și respirație, deși poate fi exportat și în sistemele marine prin râuri sau reținut în sol ca carbon inert. Sistemele marine conțin cea mai mare cantitate de carbon asociată cu ciclul lor biogeochimic. Principala modalitate prin care carbonul pătrunde în sistemele marine este prin dizolvarea dioxidului de carbon atmosferic, care este apoi transformat în carbon organic prin fotosinteza efectuată de organismele marine. sau reținut în sol ca carbon inert. Sistemele marine conțin cea mai mare cantitate de carbon asociată cu ciclul lor biogeochimic. Principala modalitate prin care carbonul pătrunde în sistemele marine este prin dizolvarea dioxidului de carbon atmosferic, care este apoi transformat în carbon organic prin fotosinteza efectuată de organismele marine. sau reținut în sol ca carbon inert. Sistemele marine conțin cea mai mare cantitate de carbon asociată cu ciclul lor biogeochimic. Principala modalitate prin care carbonul pătrunde în sistemele marine este prin dizolvarea dioxidului de carbon atmosferic, care este apoi transformat în carbon organic prin fotosinteza efectuată de organismele marine.

Surse

Anna Deming. Regele elementelor? Nanotehnologie Nr. 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Dinamica biogeochimică oceanică. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, SUA, 2006.

Laura Gasque Silva. Carbon. Elementul cu personalități multiple. Cum vedeți? Revista, Universitatea Națională Autonomă din Mexic, 2019.

RJ Young, PA Lovell Introducere în polimeri. A treia editie. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.