Tio fakta om kol, grunden för livets kemi

Kol är ett väsentligt element för livet, eftersom det är huvudbeståndsdelen i alla organiska föreningar. Det kan vara i elementär form, bilda kol eller diamanter, och det kan bilda oorganiska föreningar, såsom koldioxid (CO 2 ), _en grundläggande molekyl i processerna för att fånga solenergi av växter och i processerna för att frigöra energi genom förbränning. Aktivt kol, kolfibrer, nanorör och grafen är några av de föreningar och material som har kolatomen som en grundläggande komponent.

Kolatomen har 6 protoner i sin kärna och 6 elektroner i sin miljö, så dess atomnummer är 6. Den vanligaste isotopen i naturen är den som också har 6 neutroner i sin kärna, 12C, och sedan 1961 har denna isotop använts att mäta atommassan för alla grundämnen, ta som enhet den tolfte delen av massan av ¹² C. 98,89 % av kolatomerna i naturen är ¹² C, men det finns också isotopen som har en neutron mer i kärnan , ¹³ C, vilket kompletterar den naturliga sammansättningen med 1,1 %. En annan viktig isotop av kol är ^14C , en radioaktiv isotop som sönderfaller med en halveringstid på 5730 år. den ^14:eC produceras i atmosfären som en konsekvens av växelverkan mellan kväve och kosmisk strålning, och från dess produktion integreras den i organiska processer och produkter, och omvandlar den till en naturlig klocka som tillåter datering av tyger och material som innehåller kol i ett intervall som sträcker sig mellan 1000 och 50000 år.

Här är tio fakta om kol.

• Kol är ett icke-metalliskt grundämne som kan förenas med sig självt och bilda en enorm mängd kemiska föreningar, ett uppskattat antal på mer än tio miljoner.

• Liksom alla grundämnen producerades kol i stjärnor genom kärnfusionsreaktioner. I de tidiga stadierna av sin utveckling producerar stjärnor energi genom fusionsreaktioner av väteatomer som producerar helium, vilket är fallet med solen. När det mesta av vätet har omvandlats till helium kan energin som produceras i reaktionen inte balansera gravitationen kraft och stjärnan komprimeras i sin kärna, medan dess yttre sektor expanderar. När processen avslutas når kärnans temperatur temperaturer i storleksordningen 100 miljoner Kelvin och en reaktion som kallas trippel alfa äger rum, där tre heliumkärnor genererar en kolatom. Efterföljande processer kan generera andra element eller sprida de producerade elementen,

• Kol är det fjärde vanligaste grundämnet i universum, efter väte, helium och syre, och det är det femtonde vanligaste grundämnet i jordskorpan.

• Elementärt kol kan ta formen av ett av de hårdaste och dyraste materialen som finns, diamant, eller bilda en mjuk och billig, grafit. Diamant och grafit är två allotroper av kol men i diamant är atomerna ordnade i en kubisk kristallstruktur som bildas under extrema tryck- och temperaturförhållanden, medan i grafit bildar de kovalenta bindningarna hexagonala kristallstrukturer arrangerade i plan överlappande.

• I vakuum eller i en syrefri atmosfär förvandlas diamant till grafit vid 1 700 grader Celsius. I luften börjar omvandlingen runt 700 grader Celsius. Smältpunkten för grafit är 3600 grader Celsius.

• Allotroper av kol har en mängd olika användningsområden. Diamant är en ädelsten som också har industriella tillämpningar på grund av sin extrema hårdhet. Grafiten används blandad med en pasta i blyertspennorna. Det används också som ett fast smörjmedel och som ett skyddande element mot oxidation. Grafit kan vara en komponent i eldfasta tegelstenar och deglar. Olika tekniska delar, såsom kolvar, cylinderpackningar, brickor eller lager, tillverkas med grafit. På grund av sin goda elektriska ledningsförmåga och dess motståndskraft mot kemiska angrepp används den för att tillverka elektroder och i andra elektriska applikationer, såsom kol och elektriska motorborstar. På grund av dess neutronmodereringskapacitet och dess låga neutronabsorption,

• Kol är grundelementet i organisk kemi, även kallad kolkemi. Alla organiska molekyler innehåller kol. De enklaste bildar olika bindningar med varandra och kombinerar endast med väteatomer, medan de mest komplexa inkluderar syre-, kväve-, fosfor- eller svavelatomer, och når de högsta nivåerna av komplexitet i RNA (ribonukleinsyra)-molekyler och av DNA (deoxiribonukleinsyra). Det stora antalet organiska föreningar beror på att kolatomen har fyra elektroner i sitt valensskal, så den behöver ytterligare fyra för att bilda ett stabilt tillstånd enligt oktettregeln. På detta sätt har den fyra bindningar tillgängliga för att kombineras genom kovalenta bindningar med andra element eller med andra atomer av samma art.

• Polymerer är en del av vårt dagliga liv på många olika sätt. Naturliga polymerer, det vill säga biopolymerer, är liksom en stor del av konstgjorda polymerer kolföreningar. Biopolymerer är grundläggande komponenter i livet. Lipider är biopolymerer, triglycerider vars monomererDe är glycerol och fettsyror. Och proteiner är polypeptider vars monomerer är aminosyror. Ett annat exempel är nukleinsyror. DNA och RNA, vars monomerer är nukleotider som i sin tur är uppbyggda av kvävebaser, ribos som är ett socker (en monosackarid som kallas pentos) och en fosfatgrupp. Kolhydrater är också biopolymerer. Polysackarider, såsom cellulosa och stärkelse, och disackarider, såsom sackaros (det vanliga sockret) och laktos, är polymerer vars monomerer är monosackarider, enkla sockerarter, den vanligaste monosackariden är glukos. Den vanligaste biopolymeren är cellulosa, som utgör majoriteten av jordens biomassa eftersom den är en beståndsdel av cellväggen hos de flesta växter. Den finns i sin renaste form i bomull och är huvudkomponenten i papper och många andra produkter som vi använder dagligen. Bland de konstgjorda polymererna är den som involverar den enklaste bildningsprocessen polyeten, en allmänt spridd och använd plast. Monomeren av polyeten är eten, en enkel organisk molekyl som har två kolatomer kopplade med en dubbelbindning tillsammans med två väteatomer fästa till varje kolatom. Om dubbelbindningen bryts har var och en av kolatomerna en kovalent bindning tillgänglig för att förena andra atomer, vilket utgör den strukturella enhet som kommer att bilda polymeren. Den upprepade föreningen av denna strukturella enhet genererar en lång linjär molekyl, utan förgreningar, som är polyeten.

• Ett av de starkaste materialen som kan tillverkas är kolfiber. Kallas även grafitfiber, kolfiber är en syntetisk fiber som består av mycket fina filament, 5 till 10 mikron i diameter, av en polymer vars huvudelement är kol. Genom att väva och bearbeta tusentals av dessa tunna filament erhålls en kolfiber. Dessa filament har en hög draghållfasthet, så de är extremt starka med tanke på deras tjocklek. Kolnanoröret anses vara det starkaste materialet som kan tillverkas, och kolfibrer anses generellt ha egenskaper som liknar stål, de är mycket lättare och har en densitet som liknar trä eller plast. Det finns flera användningsområden för kolfibrer. I konstruktionen,

• Kolets kretslopp är en sekvens av händelser som är avgörande för livet på jorden. Processerna i kolcykeln är grupperade i processer i atmosfären, de i den terrestra biosfären, processer i haven, i sediment, inklusive fossila bränslen och sötvattensystem, och processer inom landet. I atmosfären finns kol främst i form av koldioxid och metan. Koldioxid utvinns från atmosfären till terrestra och marina biosfärer genom fotosyntes, och den löses också upp i vattendrag och bildar kolsyra. Kol i den terrestra biosfären inkluderar organiskt kol från alla levande och döda organismer, samt kol som lagras i jordar. Det mesta av kolet i den terrestra biosfären är organiskt, medan en tredjedel är i oorganiska former, såsom kalciumkarbonat. Kol försvinner från den terrestra biosfären genom förbränning och andning, även om det också kan exporteras till marina system genom floder eller kvarhållas i jordar som inert kol. Marina system innehåller den största mängden kol som är associerat med deras biogeokemiska cykel. Det huvudsakliga sättet att kol kommer in i marina system är genom att lösa upp atmosfärisk koldioxid, som sedan omvandlas till organiskt kol genom fotosyntes som utförs av marina organismer. eller kvarhålls i jordar som inert kol. Marina system innehåller den största mängden kol som är associerat med deras biogeokemiska cykel. Det huvudsakliga sättet att kol kommer in i marina system är genom att lösa upp atmosfärisk koldioxid, som sedan omvandlas till organiskt kol genom fotosyntes som utförs av marina organismer. eller kvarhålls i jordar som inert kol. Marina system innehåller den största mängden kol som är associerat med deras biogeokemiska cykel. Det huvudsakliga sättet att kol kommer in i marina system är genom att lösa upp atmosfärisk koldioxid, som sedan omvandlas till organiskt kol genom fotosyntes som utförs av marina organismer.

Källor

Anna Deming. Kungen av elementen? Nanotechnology nr 21, 2010.

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

Laura Gasque Silva. Kol. Elementet med flera personligheter. Hur ser du? Magazine, National Autonomous University of Mexico, 2019.

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