Introduktion till kemi

Termer

• halveringstidI en radioaktiv sönderfallsprocess är den tid som krävs för att hamna på hälften av det ursprungliga (icke sönderfallna) materialet.
• radiometrisk dateringEn teknik som används för att datera material genom att jämföra den naturliga förekomsten av radioaktiva atomer med deras återstående sönderfallsprodukter.
• allotroperDifferentierade former av ett kemiskt grundämne som finns i dess naturliga tillstånd.

Kol är det kemiska grundämnet med symbolen C och atomnumret 6 (innehåller 6 protoner i sin kärna). Som medlem av grupp 14 i det periodiska systemet är det icke-metalliskt och tetravalent, vilket gör att fyra elektroner är tillgängliga för att bilda kovalenta kemiska bindningar. Den vanligaste isotopen av kol har 6 protoner och 6 neutroner och har en atommassa på 12,0107 amu. Dess elektronkonfiguration i grundtillståndet är 1s22s22p2. Dess oxidationstillstånd sträcker sig från 4 till -4, och den har ett elektronegativitetsvärde på 2,55 på Paulingskalan. Det är ett fast ämne och sublimerar vid 3 642 °C (det har den högsta sublimeringspunkten av alla grundämnen).

Kol Allotroper

Kol har flera allotroper, eller olika former i vilka det existerar. Intressant nog spänner kolallotroperna över ett brett spektrum av fysiska egenskaper: diamant är det hårdaste naturligt förekommande ämnet och grafit är ett av de mjukaste kända ämnena. Diamant är genomskinlig, det ultimata slipmedlet och kan vara en elektrisk isolator och värmeledare. Omvänt är grafit ogenomskinlig, ett mycket bra smörjmedel, en bra ledare av elektricitet och en värmeisolator. Allotropier av kol är inte begränsade till diamant och grafit, utan omfattar även buckyballs (fullerener), amorft kol, glasartat kol, kolnanoskum, nanorör och andra.

Kolets kemiska reaktivitet

Kolföreningar utgör grunden för allt känt liv på jorden, och kol-kvävecykeln tillhandahåller en del av den energi som produceras av solen och andra stjärnor. Kol har en affinitet för att binda sig till andra små atomer, inklusive andra kolatomer, via bildandet av stabila, kovalenta bindningar. Trots att det förekommer i ett stort antal föreningar är kolet svagt reaktivt jämfört med andra grundämnen under normala förhållanden. Vid standardtemperatur och standardtryck är det motståndskraftigt mot oxidation; det reagerar inte med svavelsyra, saltsyra, klor eller alkalimetaller. Vid högre temperaturer reagerar kol med syre för att ge koloxider och metaller för att ge metallkarbider.

Kol har förmågan att bilda mycket långa kedjor av starka och stabila sammankopplade C-C-bindningar. Denna egenskap gör att kol kan bilda ett nästan oändligt antal föreningar; faktum är att det finns fler kända kolhaltiga föreningar än alla föreningar av de andra kemiska grundämnena tillsammans, utom föreningar av väte (eftersom nästan alla organiska föreningar också innehåller väte).

Kolisotoper

Kol har två stabila, naturligt förekommande isotoper: kol-12 och kol-13. Kol-12 utgör 98,93 % och kol-13 bildar resterande 1,07 %. Koncentrationen av 12C ökar ytterligare i biologiska material eftersom biokemiska reaktioner diskriminerar mot 13C. Identifiering av kol i NMR-experiment sker med isotopen 13C. 14C är en radioaktiv kolisotop med en halveringstid på 5730 år. Den har en mycket låg naturlig förekomst (0,000000000101 %) och sönderfaller till 14N genom betasönderfall. Den används vid radiometrisk datering för att bestämma åldern på kolhaltiga prover (av fysiskt eller biologiskt ursprung) som är upp till cirka 60 000 år gamla.

Totalt finns det 15 kända kolisotoper och den kortaste av dessa är 8C, som sönderfaller genom protonutsläpp och alfasönderfall och har en halveringstid på 1,98739 x 10-21 sekunder. Den exotiska 19C uppvisar en kärnhalo, vilket innebär att dess radie är märkbart större än vad som skulle förväntas om kärnan var en sfär med konstant densitet.