Tanulási cél
- Tárgyaljuk a szén tulajdonságait.
Főbb pontok
- A szénnek több allotropja van, vagyis különböző formái, amelyekben létezhet. Ezek közé az allotrópok közé tartozik a grafit és a gyémánt, amelyek nagyon eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek.
- Dacára annak, hogy a szén képes 4 kötést létrehozni, és számos vegyületben jelen van, normál körülmények között nagyon nem reaktív.
- A szén 3 fő izotópban létezik: 12C, 13C, 14C. A 14C radioaktív, és a széntartalmú minták kormeghatározására használják (radiometrikus kormeghatározás).
Fogalmak
- féléletidőA radioaktív bomlási folyamatban az az időtartam, amely alatt az eredeti (nem bomlott) anyag fele megmarad.
- radiometriai kormeghatározásAz anyagok datálására használt technika, amely a radioaktív atomok természetes gyakoriságát hasonlítja össze a megmaradt bomlástermékeikkel.
- allotópokEgy kémiai elem természetes állapotában megtalálható különböző formái.
A szén a C jelű és 6-os atomi számú (6 protont tartalmaz az atommagjában) kémiai elem. A periódusos rendszer 14. csoportjának tagjaként nem fémes és négyértékű – négy elektron áll rendelkezésre kovalens kémiai kötések kialakításához. A szén leggyakoribb izotópjának 6 protonja és 6 neutronja van, atomtömege 12,0107 amu. Alapállapotú elektronkonfigurációja 1s22s22p2. Oxidációs állapota 4 és -4 között mozog, elektronegativitása pedig a Pauling-skála szerint 2,55. Szilárd anyag, és 3642 °C-on szublimál (ez a legmagasabb szublimációs pontja az összes elem közül).
Szén allotrópok
A szénnek több allotrópja, vagyis különböző formája van. Érdekes módon a szén allotrópok a fizikai tulajdonságok széles skáláját ölelik fel: a gyémánt a legkeményebb természetesen előforduló anyag, a grafit pedig az egyik leglágyabb ismert anyag. A gyémánt átlátszó, a végső csiszolóanyag, és képes elektromos szigetelő és hővezető lenni. Ezzel szemben a grafit átlátszatlan, nagyon jó kenőanyag, jó áramvezető és hőszigetelő. A szén allotrópjai nem korlátozódnak a gyémántra és a grafitra, hanem közéjük tartoznak a hajgömbök (fullerének), az amorf szén, az üvegszerű szén, a szén nanohab, a nanocsövek és mások is.
A szén kémiai reakcióképessége
A szénvegyületek képezik minden ismert földi élet alapját, és a szén-nitrogén körforgás biztosítja a Nap és más csillagok által termelt energia egy részét. A szén hajlamos más kis atomokkal, köztük más szénatomokkal is kötődni, stabil, kovalens kötések kialakításával. Annak ellenére, hogy rengeteg vegyületben van jelen, a szén más elemekhez képest normál körülmények között gyengén reaktív. Normál hőmérsékleten és nyomáson ellenáll az oxidációnak; nem lép reakcióba kénsavval, sósavval, klórral vagy alkálifémekkel. Magasabb hőmérsékleten a szén oxigénnel szénoxidokat, a fémekkel pedig fémkarbidokat képez.
A szén képes nagyon hosszú, erős és stabil C-C kötésekből álló láncok kialakítására. Ez a tulajdonsága lehetővé teszi, hogy a szén szinte végtelen számú vegyületet képezzen; valójában több ismert széntartalmú vegyület van, mint a többi kémiai elem összes vegyülete együttvéve, kivéve a hidrogén vegyületeit (mivel szinte minden szerves vegyület tartalmaz hidrogént is).
Szénizotópok
A szénnek két stabil, természetesen előforduló izotópja van: a szén-12 és a szén-13 izotóp. A szén-12 alkotja 98,93%-át, a szén-13 pedig a maradék 1,07%-ot. A 12C koncentrációja tovább növekszik a biológiai anyagokban, mivel a biokémiai reakciók diszkriminálnak a 13C-vel szemben. A szén azonosítása NMR-kísérletekben a 13C izotóppal történik. A 14C a szén radioaktív izotópja, amelynek felezési ideje 5730 év. Természetes előfordulása nagyon alacsony (0,0000000001%), és béta-bomlással 14N-re bomlik. A radiometrikus kormeghatározás során a (fizikai vagy biológiai eredetű) szénminták korának meghatározására használják körülbelül 60 000 éves korig.
A szénnek összesen 15 ismert izotópja van, ezek közül a legrövidebb élettartamú a 8C, amely protonemisszióval és alfa-bomlással bomlik, felezési ideje 1,98739 x 10-21 másodperc. Az egzotikus 19C maghalót mutat, ami azt jelenti, hogy a sugara érezhetően nagyobb, mint ami akkor várható lenne, ha az atommag egy állandó sűrűségű gömb lenne.