Kol

teoretiskt förutsagt fasdiagram för kol

kolens allotroper inkluderar grafit, ett av de mjukaste kända ämnena och diamant, det hårdast naturligt förekommande ämnet. Det binder lätt med andra små atomer, inklusive andra kolatomer, och kan bilda flera stabila kovalenta bindningar med lämpliga multivalenta atomer. Kol är känt för att bilda nästan tio miljoner föreningar, en stor majoritet av alla kemiska föreningar. Kol har också den högsta sublimeringspunkten för alla element., Vid atmosfärstryck har den ingen smältpunkt, eftersom dess trippelpunkt är 10,8±0,2 MPa och 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300 ° C; 7,820 ± 540 ° F), så det sublimes vid ca 3,900 K (3,630 °C; 6,560 °F). Grafit är mycket mer reaktiv än diamant vid standardförhållanden, trots att den är mer termodynamiskt stabil, eftersom dess delokaliserade pi-system är mycket mer sårbart för attack. Till exempel kan grafit oxideras av varm koncentrerad salpetersyra vid standardförhållanden till mellitinsyra, C6(CO2H)6, som bevarar de sexkantiga enheterna av grafit samtidigt som den större strukturen bryts upp.,

kolsublimer i en kolbåg, som har en temperatur på ca 5800 K (5 530 °C eller 9,980 °f). Således, oberoende av dess allotropa form, kol förblir fast vid högre temperaturer än de högsta smältpunkt metaller såsom volfram eller rhenium. Även termodynamiskt benägna att oxidation, kol motstår oxidation mer effektivt än element såsom järn och koppar, som är svagare reduktionsmedel vid rumstemperatur.

kol är det sjätte elementet, med en markbaserad elektronkonfiguration av 1s22s22p2, varav de fyra yttre elektronerna är valenselektroner., Dess första fyra joniseringsenergier, 1086.5, 2352.6, 4620.5 och 6222.7 kJ/mol, är mycket högre än de tyngre Grupp-14 element. Elektronegativiteten hos kol är 2,5, signifikant högre än den tyngre gruppen-14 element (1,8–1,9), men nära de flesta närliggande nonmetals, liksom några av de andra och tredje raden övergångsmetallerna. KOLS kovalenta radier tas normalt som 77.2 pm (c-c), 66.7 pm (C=C) och 60.3 pm (C), även om dessa kan variera beroende på koordinationsnummer och vad kolet är bundet till., I allmänhet minskar kovalent radie med lägre koordinationsnummer och högre bindningsordning.

kolföreningar utgör grunden för allt känt liv på jorden, och kolkvävecykeln ger en del av den energi som produceras av solen och andra stjärnor. Även om det bildar en extraordinär mängd föreningar, är de flesta former av kol relativt oreaktiva under normala förhållanden. Vid standardtemperatur och tryck motstår det alla utom de starkaste oxidationsmedlen. Det reagerar inte med svavelsyra, saltsyra, klor eller någon alkali., Vid förhöjda temperaturer reagerar kol med syre för att bilda koloxider och kommer att råna syre från metalloxider för att lämna elementmetallen. Denna exoterma reaktion används i järn-och stålindustrin för att smälta järn och för att kontrollera kolinnehållet i stål:

Fe
3o
4 + 4 c(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)

kolmonoxid kan återvinnas för att smälta ännu mer järn:

Fe
3O
4 + 4 CO(g) → 3 Fe(s) + 4 CO
2(g)

med svavel för att bilda koldisulfid och med ånga i kolgasreaktionen:

c(s) + H2o(g) → Co(g) + H2(g).,

kol kombinerar med vissa metaller vid höga temperaturer för att bilda metallkarbider, såsom järnkarbid cementit i stål och volframkarbid, ofta används som ett slipmedel och för att göra hårda tips för skärverktyg.

systemet med carbon allotropes spänner över en rad ytterligheter:

grafit är ett av de mjukaste material som är kända. syntetisk nanokristallin diamant är det svåraste materialet som är känt.
grafit är ett mycket bra smörjmedel som visar superlubricitet., Diamond är den ultimata slipmedel.
grafit är en ledare av el. Diamond är en utmärkt elektrisk isolator, och har den högsta nedbrytningen elektriska fält av alla kända material.
vissa former av grafit används för värmeisolering (dvs. brandgator och värmesköldar), men vissa andra former är bra värmeledare. Diamond är den mest kända naturligt förekommande termiska ledaren
grafit är ogenomskinlig. Diamond är mycket transparent.,
grafit kristalliserar i det sexkantiga systemet. diamant kristalliserar i kubiksystemet.
amorft kol är helt isotropt. kol nanotuber är bland de mest anisotropa material som är kända.

Allotropes

Huvudartikel: allotropes av kol

atomärt kol är en mycket kortlivad Art och därför stabiliseras kol i olika Multi-atomära strukturer med olika molekylära konfigurationer som kallas allotropes., De tre relativt välkända allotroper av kol är amorft kol, grafit och diamant. När anses exotiska, fullerener numera vanligen syntetiseras och används i forskning; de inkluderar buckyballs, kolnanotuber, kolnanobudar och nanofibrer. Flera andra exotiska allotroper har också upptäckts, såsom lonsdaleit, glasartat kol, kol nanofoam och linjär acetylensyra kol (carbyne).

grafen är ett tvådimensionellt ark av kol med atomer anordnade i en sexkantig gitter. Från och med 2009 verkar grafen vara det starkaste materialet som någonsin testats., Processen att skilja den från grafit kommer att kräva ytterligare teknisk utveckling innan den är ekonomisk för industriella processer. Om det lyckas kan grafen användas vid byggandet av en rymdhiss. Det kan också användas för att på ett säkert sätt lagra väte för användning i en vätgasbaserad motor i bilar.

ett stort urval av glasartat kol

den amorfa formen är ett sortiment av kolatomer i ett icke-kristallint, oregelbundet, glasartat tillstånd, som inte hålls i en kristallin makrostruktur., Det är närvarande som ett pulver, och är den viktigaste beståndsdelen i ämnen som kol, lampblack (sot) och aktivt kol. Vid normalt tryck tar kol formen av grafit, där varje atom är bunden trigonalt till tre andra i ett plan som består av smälta sexkantiga ringar, precis som de i aromatiska kolväten. Det resulterande nätverket är 2-dimensionell, och de resulterande platta arken staplas och löst bundna genom svaga van der Waals krafter. Detta ger grafit sin mjukhet och dess klyvningsegenskaper (arken glider lätt förbi varandra)., På grund av delokaliseringen av en av de yttre elektronerna i varje atom för att bilda ett π-moln, leder grafit el, men endast i planet för varje kovalent bundet ark. Detta resulterar i en lägre elektrisk ledningsförmåga för KOL än för de flesta metaller. Delokaliseringen står också för den energiska stabiliteten hos grafit över diamant vid rumstemperatur.

vid mycket höga tryck bildar kol den mer kompakta allotrope, diamant, som har nästan dubbelt densiteten av grafit., Här binds varje atom tetrahedrally till fyra andra och bildar ett 3-dimensionellt nätverk av puckered sexledade ringar av atomer. Diamond har samma kubiska struktur som kisel och germanium, och på grund av styrkan i kol-kolbindningar, det är den hårdast naturligt förekommande ämnet mäts genom motståndskraft mot repor. I motsats till den populära tron att ”diamanter är för evigt” är de termodynamiskt instabila (ΔfG°(diamant, 298 K) = 2,9 kJ/mol) under normala förhållanden (298 K, 105 Pa) och omvandlas till grafit., På grund av en hög aktiveringsenergibarriär är övergången till grafit så långsam vid normal temperatur att den är obemärlig. Det nedre vänstra hörnet av fasdiagrammet för KOL har inte granskats experimentellt. Även om en beräkningsstudie som använder densitetsfunktionsteorimetoder nådde slutsatsen att som t → 0 K och p → 0 Pa blir diamant stabilare än grafit med cirka 1.,1 kJ/mol, nyare och definitiva experimentella och beräkningsstudier visar att grafit är stabilare än diamant för t < 400 K, utan applicerat tryck, med 2.7 kJ/mol vid t = 0 K och 3.2 kJ / mol vid t = 298.15 K. under vissa förhållanden kristalliserar kol som lonsdaleit, en hexagonal kristallgitter med alla atomer kovalent bundna och egenskaper som liknar dem hos diamant.,

fullerener är en syntetisk kristallin formation med en grafitliknande struktur, men i stället för plana hexagonala celler kan några av de celler av vilka fullerener bildas vara pentagoner, icke-planära hexagoner eller till och med heptagoner av kolatomer. Arken är sålunda skev i sfärer, ellipser eller cylindrar. Egenskaperna hos fullerener (uppdelade i buckyballs, buckytubes och nanobuds) har ännu inte analyserats fullständigt och representerar ett intensivt forskningsområde inom nanomaterial., Namnen fullerene och buckyball ges efter Richard Buckminster Fuller, populariserare av geodetiska kupoler, som liknar strukturen av fullerener. Buckyballs är ganska stora molekyler som bildas helt av kolbundet trigonalt och bildar sfäroider (den mest kända och enklaste är den soccerballformade C60 Buckminsterfulleren). Kolnanotuber (buckytubes) liknar strukturellt buckyballs, förutom att varje atom är bunden trigonalt i ett krökt ark som bildar en ihålig cylinder., Nanobuds rapporterades först i 2007 och är hybrid buckytube / buckyball material (buckyballs är kovalent bundna till ytterväggen av en nanotube) som kombinerar egenskaperna hos båda i en enda struktur.

Comet C/2014 Q2 (Lovejoy) omgiven av glödande kolånga

av de andra upptäckte allotroper, kolnanofoam är en ferromagnetisk allotrope upptäcktes 1997., Den består av ett kluster med låg densitet-montering av kolatomer uppträdda tillsammans i en lös tredimensionell bana, där atomerna är bundna trigonalt i sex-och sjuledade ringar. Det är bland de lättaste kända fasta ämnena, med en densitet av ca 2 kg / m3. På samma sätt innehåller glasartat kol en hög andel sluten porositet, men i motsats till normal grafit staplas de grafitiska skikten inte som sidor i en bok, men har ett mer slumpmässigt arrangemang. Linjär acetylensyra kol har den kemiska strukturen−(c:::c)n -., Kol i denna modifiering är linjär med sp orbital hybridisering, och är en polymer med alternerande enkel-och trippelbindningar. Denna carbyne är av stort intresse för nanoteknik eftersom dess unga modul är 40 gånger den av det hårdast kända materialet-diamant.

i 2015, ett team på North Carolina State University meddelade utvecklingen av en annan allotrope de har dubbat Q-kol, skapad av en hög energi låg varaktighet laser puls på amorft kol damm. Q-kol rapporteras uppvisa ferromagnetism, fluorescens och en hårdhet som är överlägsen diamanter.,

i ångfasen är en del av kolet i form av dikarbon (C
2). När upphetsad, denna gas lyser grönt.,

förekomst

grafit malm, visas med ett öre för skala

rå diamant kristall

”present day” (1990) havsyta upplöst oorganisk kolkoncentration (från glodap klimatologi)

kol är det fjärde mest rikliga kemiska elementet i det observerbara universum genom massa efter väte, helium och syre., I juli 2020 rapporterade astronomer att kol bildades huvudsakligen i vita dvärgstjärnor, särskilt de som var större än två solmassor. Kol är rikligt i solen, stjärnor, kometer och i atmosfären i de flesta planeter. Vissa meteoriter innehåller mikroskopiska diamanter som bildades när solsystemet fortfarande var en protoplanetär disk. Mikroskopiska diamanter kan också bildas av det intensiva trycket och hög temperatur vid platserna för meteorit effekter.

2014 meddelade NASA en kraftigt uppgraderad databas för spårning av polycykliska aromatiska kolväten (PAHs) i universum., Mer än 20% av kolet i universum kan associeras med PAH, komplexa föreningar av kol och väte utan syre. Dessa föreningar figur i PAH World hypotesen där de är hypoteser att ha en roll i abiogenes och bildandet av livet. PAHs verkar ha bildats ”ett par miljarder år” efter Big Bang, är utbredd i hela universum, och är förknippade med nya stjärnor och exoplaneter.

det har uppskattats att den fasta jorden som helhet innehåller 730 ppm kol, med 2000 ppm i kärnan och 120 ppm i den kombinerade manteln och skorpan., Eftersom jordens massa är 5.972×1024 kg, skulle detta innebära 4360 miljoner gigatonnes kol. Detta är mycket mer än mängden kol i oceanerna eller atmosfären (nedan).

i kombination med syre i koldioxid finns kol i jordens atmosfär (cirka 900 gigatonnes kol — varje ppm motsvarar 2,13 Gt) och upplöst i alla vattenkroppar (cirka 36 000 gigatonnes kol)., Kol i biosfären har uppskattats till 550 gigatonnes men med en stor osäkerhet, främst på grund av en stor osäkerhet i mängden markbundna djupa subsurface bakterier. Kolväten (såsom kol, petroleum och naturgas) innehåller också kol. Kol ” reserver ”(inte” resurser”) uppgår till cirka 900 gigatonnes med kanske 18 000 Gt resurser. Oljereserverna är runt 150 gigaton., Bevisade källor till naturgas är cirka 175×1012 kubikmeter (innehållande cirka 105 gigatonnes kol), men studier uppskattar ytterligare 900×1012 kubikmeter ”okonventionella” avlagringar som skiffergas, vilket motsvarar cirka 540 gigatonnes kol.

KOL finns också i metanhydrater i polära områden och under haven. Olika uppskattningar sätta detta kol mellan 500, 2500 Gt, eller 3,000 Gt.

tidigare var mängden kolväten större., Enligt en källa, under perioden 1751 till 2008 om 347 gigatonnes av kol släpptes som koldioxid till atmosfären från förbränning av fossila bränslen. En annan källa sätter det belopp som läggs till atmosfären för perioden sedan 1750 vid 879 Gt, och den totala går till atmosfären, havet och marken (såsom torvmossar) på nästan 2,000 Gt.

kol är en beståndsdel (ca 12 viktprocent) av de mycket stora massorna av karbonatsten (kalksten, dolomit, marmor och så vidare)., Kol är mycket rik på kol (antracit innehåller 92-98%) och är den största kommersiella källan till mineralkol, står för 4,000 gigatonnes eller 80% av fossilt bränsle.

När det gäller enskilda kol allotroper finns grafit i stora mängder i USA (mestadels i New York och Texas), Ryssland, Mexiko, Grönland och Indien. Naturliga diamanter förekommer i berget kimberlite, som finns i gamla vulkaniska ”halsar” eller ”rör”. De flesta diamantfyndigheter finns i Afrika, särskilt i Sydafrika, Namibia, Botswana, Republiken Kongo och Sierra Leone., Diamond insättningar har också hittats i Arkansas, Kanada, den ryska Arktis, Brasilien, och i norra och västra Australien. Diamanter återvinns nu också från havsbotten utanför Godahoppsudden. Diamanter finns naturligt, men cirka 30% av alla industriella diamanter som används i USA tillverkas nu.

kol-14 bildas i de övre lagren av troposfären och stratosfären på höjder av 9-15 km genom en reaktion som utfälls av kosmiska strålar. Termiska neutroner produceras som kolliderar med kärnorna av kväve-14 och bildar kol-14 och en proton. Som sådan, 1.,5%×10-10 atmosfärisk koldioxid innehåller kol-14.

kolrika asteroider är relativt preponderant i de yttre delarna av asteroidbältet i vårt solsystem. Dessa asteroider har ännu inte provtagits direkt av forskare. Asteroiderna kan användas i hypotetisk rymdbaserad kolbrytning, vilket kan vara möjligt i framtiden, men är för närvarande tekniskt omöjligt.

isotoper

Huvudartikel: isotoper av kol

isotoper av kol är atomkärnor som innehåller sex protoner plus ett antal neutroner (varierar från 2 till 16)., Kol har två stabila, naturligt förekommande isotoper. Isotopkol-12 (12C) bildar 98.93% av kolet på jorden, medan kol-13 (13C) bildar resterande 1,07%. Koncentrationen av 12C ökar ytterligare i biologiska material eftersom biokemiska reaktioner diskriminerar 13C. år 1961 antog International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) isotopkol-12 som grund för atomvikter. Identifiering av kol i kärnmagnetisk resonans (NMR) experiment görs med isotopen 13C.,

kol-14 (14C) är en naturligt förekommande radioisotop, skapad i den övre atmosfären (nedre stratosfären och övre troposfären) genom interaktion av kväve med kosmiska strålar. Den finns i spårmängder på jorden av 1 del per biljon (0.0000000001%) eller mer, mestadels begränsad till atmosfären och ytliga avlagringar, särskilt av torv och andra organiska material. Denna isotop sönderfaller med 0,158 MeV β-utsläpp. På grund av sin relativt korta halveringstid på 5730 år är 14C praktiskt taget frånvarande i gamla stenar., Mängden 14C i atmosfären och i levande organismer är nästan konstant, men minskar förutsägbart i sina kroppar efter döden. Denna princip används i radiocarbon dejting, uppfanns 1949, som har använts i stor utsträckning för att bestämma åldern av kolhaltiga material med åldrar upp till cirka 40 000 år.

det finns 15 kända isotoper av kol och den kortaste av dessa är 8C som sönderfaller genom protonutsläpp och alfaförfall och har en halveringstid på 1,98739 × 10-21 s., Den exotiska 19C uppvisar en nukleär halo, vilket innebär att dess radie är märkbart större än vad som skulle förväntas om kärnan var en sfär med konstant densitet.

bildning i stjärnor

huvudartiklar: Triple-alpha process och CNO cykel

bildandet av kol atomkärnan sker inom en jätte eller supergiant stjärna genom triple-alpha processen., Detta kräver en nästan samtidig kollision av tre alfa-partiklar (heliumkärnor), eftersom produkterna av ytterligare nukleära fusionsreaktioner av helium med väte eller en annan heliumkärna producerar litium-5 respektive beryllium-8, vilka båda är mycket instabila och sönderfaller nästan omedelbart tillbaka till mindre kärnor. Triple-alfa-processen sker under temperaturer över 100 megakelviner och heliumkoncentration som den snabba expansionen och kylningen av det tidiga universum förbjöd, och därför skapades inget signifikant kol under Big Bang.,

enligt aktuell fysisk kosmologiteori bildas kol i inredningen av stjärnor på den horisontella grenen. När massiva stjärnor dör som supernova, är kolet utspridda i rymden som damm. Detta damm blir komponentmaterial för bildandet av nästa generations stjärnsystem med accreted planeter. Solsystemet är ett sådant stjärnsystem med ett överflöd av kol, vilket möjliggör existensen av livet som vi känner till det.

CNO-cykeln är en extra vätefusionsmekanism som driver stjärnor, där kol fungerar som en katalysator.,

Rotationsövergångar av olika isotopformer av kolmonoxid (till exempel 12CO, 13CO och 18CO) är detekterbara i submillimetervåglängdsområdet och används i studien av nybildande stjärnor i molekylära moln.

kolcykel

Huvudartikel: kolcykel

Diagram över kolcykeln. De svarta siffrorna anger hur mycket kol som lagras i olika reservoarer, i miljarder ton (”GtC” står för gigatonnes av kol; siffrorna är cirka 2004)., De lila siffrorna anger hur mycket kol rör sig mellan reservoarer varje år. Sedimenten, såsom de definieras i detta diagram, inkluderar inte GTC av carbonate rock och kerogen.

under markbundna förhållanden är omvandling av ett element till ett annat mycket sällsynt. Därför är mängden kol på jorden effektivt konstant. Således måste processer som använder kol få det från någonstans och kassera det någon annanstans. Kolvägarna i miljön bildar kolcykeln., Fotosyntetiska växter drar till exempel koldioxid från atmosfären (eller havsvatten) och bygger den i biomassa, som i Calvin-cykeln, en process med kolfixering. En del av denna biomassa äts av djur, medan lite kol utandas av djur som koldioxid. Kolcykeln är betydligt mer komplicerad än denna korta slinga; till exempel löses en del koldioxid i oceanerna; om bakterier inte konsumerar det kan döda växt-eller djurämnen bli petroleum eller kol, vilket frigör kol vid bränning.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *