Indledning til kemi

Læringsmål

• Diskutere kulstoffets egenskaber.

Termer

• halveringstidI en radioaktiv henfaldsproces er det tidsrum, der kræves for at ende med halvdelen af det oprindelige (ikke henfaldne) materiale.
• radiometrisk dateringEn teknik, der anvendes til at datere materialer ved at sammenligne den naturlige hyppighed af radioaktive atomer med deres tilbageværende henfaldsprodukter.
• allotroperDifferente former af et kemisk grundstof, der findes i dets naturlige tilstand.

Kulstof er det kemiske grundstof med symbolet C og atomnummer 6 (indeholder 6 protoner i sin kerne). Som medlem af gruppe 14 i det periodiske system er det ikke-metallisk og tetravalent, hvilket gør fire elektroner tilgængelige til at danne kovalente kemiske bindinger. Den mest almindelige isotop af kulstof har 6 protoner og 6 neutroner og har en atommasse på 12,0107 amu. Dens elektronkonfiguration i grundtilstanden er 1s22s22p2. Dens oxidationstrin varierer fra 4 til -4, og den har en elektronegativitet på 2,55 på Pauling-skalaen. Det er et fast stof og sublimerer ved 3.642 °C (det har det højeste sublimeringspunkt af alle grundstoffer).

Kulstofallotroper

Kulstof har flere allotroper, eller forskellige former, som det findes i. Interessant nok spænder kulstofallotroperne over et bredt spektrum af fysiske egenskaber: diamant er det hårdeste naturligt forekommende stof, og grafit er et af de blødeste kendte stoffer. Diamant er gennemsigtig, det ultimative slibemiddel og kan være en elektrisk isolator og en termisk leder. Omvendt er grafit uigennemsigtigt, et meget godt smøremiddel, en god leder af elektricitet og en termisk isolator. Allotrope kulstofarter er ikke begrænset til diamant og grafit, men omfatter også buckyballs (fullerener), amorft kulstof, glasagtigt kulstof, kulstofnanoskum, nanorør og andre.

Kulstofs kemiske reaktivitet

Kulstofforbindelser danner grundlaget for alt kendt liv på Jorden, og kulstof-stickstofkredsløbet leverer en del af den energi, der produceres af solen og andre stjerner. Kulstof har en affinitet til at binde sig til andre små atomer, herunder andre kulstofatomer, via dannelse af stabile, kovalente bindinger. På trods af at det findes i et stort antal forbindelser, er kulstof under normale forhold svagt reaktivt sammenlignet med andre grundstoffer. Ved standardtemperatur og -tryk er det modstandsdygtigt over for oxidation; det reagerer ikke med svovlsyre, saltsyre, klor eller nogen alkalimetaller. Ved højere temperaturer vil kulstof reagere med ilt til kulstofoxider og med metaller til metalcarbider.

Kulstof har evnen til at danne meget lange kæder af stærke og stabile indbyrdes forbundne C-C-bindinger. Denne egenskab gør det muligt for kulstof at danne et næsten uendeligt antal forbindelser; faktisk er der flere kendte kulstofholdige forbindelser end alle forbindelser af de andre kemiske grundstoffer tilsammen, bortset fra forbindelser af brint (fordi næsten alle organiske forbindelser også indeholder brint).

Kulstofisotoper

Kulstof har to stabile, naturligt forekommende isotoper: kulstof-12 og kulstof-13. Kulstof-12 udgør 98,93 %, og kulstof-13 udgør de resterende 1,07 %. Koncentrationen af 12C er yderligere forøget i biologiske materialer, fordi biokemiske reaktioner diskriminerer mod 13C. Identifikation af kulstof i NMR-eksperimenter sker ved hjælp af isotopen 13C. 14C er en radioaktiv isotop af kulstof med en halveringstid på 5730 år. Den har en meget lav naturlig hyppighed (0,000000000001%) og henfalder til 14N gennem beta-henfald. Den bruges i radiometrisk datering til at bestemme alderen af kulstofprøver (af fysisk eller biologisk oprindelse) op til ca. 60.000 år gamle.

I alt er der 15 kendte kulstofisotoper, og den kortestlevende af disse er 8C, som henfalder gennem protonemission og alfahenfald, og som har en halveringstid på 1,98739 x 10-21 sekunder. Den eksotiske 19C udviser en nuklear halo, hvilket betyder, at dens radius er betydeligt større, end man ville forvente, hvis kernen var en kugle med konstant tæthed.