Wprowadzenie do chemii

Terminy

• okres połowicznego rozpaduW procesie rozpadu promieniotwórczego, ilość czasu wymagana do zakończenia z połową oryginalnego (nierozłożonego) materiału.
• datowanie radiometryczneTechnika stosowana do datowania materiałów poprzez porównanie naturalnej liczebności atomów promieniotwórczych z pozostałymi produktami ich rozpadu.
• allotropyRóżne formy pierwiastka chemicznego występujące w jego stanie naturalnym.

Węgiel jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu C i liczbie atomowej 6 (zawiera 6 protonów w swoim jądrze). Jako członek grupy 14 w układzie okresowym, jest niemetaliczny i tetrawalencyjny – cztery elektrony dostępne do tworzenia kowalencyjnych wiązań chemicznych. Najczęściej występujący izotop węgla ma 6 protonów i 6 neutronów, a jego masa atomowa wynosi 12,0107 amu. Jego konfiguracja elektronowa w stanie podstawowym to 1s22s22p2. Jego stan utleniania waha się od 4 do -4, i ma wartość elektronegatywności 2,55 w skali Paulinga. Jest ciałem stałym i sublimuje w temperaturze 3,642 °C (ma najwyższy punkt sublimacji wszystkich pierwiastków).

Alotropy węgla

Węgiel ma kilka alotropów, czyli różnych form, w których istnieje. Co ciekawe, alotropy węgla obejmują szeroki zakres właściwości fizycznych: diament jest najtwardszą naturalnie występującą substancją, a grafit jest jedną z najbardziej miękkich znanych substancji. Diament jest przezroczysty, jest najlepszym materiałem ściernym, może być izolatorem elektrycznym i przewodnikiem ciepła. Odwrotnie, grafit jest nieprzezroczysty, jest bardzo dobrym środkiem smarnym, dobrym przewodnikiem elektryczności i izolatorem termicznym. Allotropy węgla nie ograniczają się do diamentu i grafitu, ale obejmują również kule buckyball (fullereny), węgiel amorficzny, węgiel szklisty, nanopianki węglowe, nanorurki i inne.

Reaktywność chemiczna węgla

Związki węgla stanowią podstawę wszelkiego znanego życia na Ziemi, a cykl węglowo-azotowy dostarcza część energii produkowanej przez Słońce i inne gwiazdy. Węgiel ma powinowactwo do łączenia się z innymi małymi atomami, w tym innymi atomami węgla, poprzez tworzenie stabilnych, kowalencyjnych wiązań. Pomimo tego, że jest obecny w ogromnej liczbie związków, w normalnych warunkach węgiel jest słabo reaktywny w porównaniu z innymi pierwiastkami. W standardowej temperaturze i ciśnieniu jest odporny na utlenianie; nie reaguje z kwasem siarkowym, kwasem solnym, chlorem ani z metalami alkalicznymi. W wyższych temperaturach, węgiel będzie reagować z tlenem, aby dać tlenki węgla i metali, aby dać węgliki metali.

Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów silnych i stabilnych wzajemnie połączonych wiązań C-C. Ta właściwość pozwala węgiel do tworzenia prawie nieskończonej liczby związków; w rzeczywistości, istnieje więcej znanych związków zawierających węgiel niż wszystkie związki innych pierwiastków chemicznych razem wziętych, z wyjątkiem tych z wodoru (ponieważ prawie wszystkie związki organiczne zawierają wodór, jak również).

Izotopy węgla

Węgiel ma dwa stabilne, naturalnie występujące izotopy: węgiel-12 i węgiel-13. Węgiel-12 stanowi 98,93%, a węgiel-13 tworzy pozostałe 1,07%. Stężenie 12C jest dodatkowo zwiększone w materiałach biologicznych, ponieważ reakcje biochemiczne dyskryminują 13C. Identyfikacja węgla w eksperymentach NMR odbywa się za pomocą izotopu 13C. 14C jest radioaktywnym izotopem węgla o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 5730 lat. Jego naturalna liczebność jest bardzo niska (0,0000000001%), a rozpada się do 14N w wyniku rozpadu beta. Jest on stosowany w datowaniu radiometrycznym do określania wieku próbek węglowych (pochodzenia fizycznego lub biologicznego) do około 60 000 lat.

W sumie znanych jest 15 izotopów węgla, a najkrócej żyjącym z nich jest 8C, który rozpada się poprzez emisję protonów i rozpad alfa, a jego okres połowicznego rozpadu wynosi 1,98739 x 10-21 sekund. Egzotyczny 19C wykazuje halo jądrowe, co oznacza, że jego promień jest znacznie większy niż można by się spodziewać, gdyby jądro było kulą o stałej gęstości.

.