Kol är ett icke-metalliskt grundämne med en kemisk symbol för C. Det är det fjärde vanligaste grundämnet i universum och det 15:e vanligaste grundämnet i jordskorpan. Det är också det näst vanligaste grundämnet hos människor efter syre. Dess kemiska sammansättning leder till flera unika egenskaper hos kol.
Kol tillhör Grupp 14 i det periodiska systemet. Dess atomnummer är 6 och den har en atomvikt på 12,011. Oxidationstillstånden för kol kan variera från -4 till +4, där +4 finns i föreningar som metan och koldisulfid, och +2 för kolmonoxid.
De fysikaliska egenskaperna hos olika kolallotroper gör dem användbara i batterier, elektronik och nanomaterial. Kol är också ”kungen av grundämnen” och bildar nästan 10 miljoner föreningar hittills inklusive organiska, oorganiska och organometalliska föreningar.
Isotoper av kol används i stor utsträckning för radiokoldatering (kol-14), molekylstruktur och medicinsk forskning (kol-13). Dessutom visar kolfibrer utmärkta mekaniska egenskaper och är populära inom flyg- och anläggningsteknik.
Kol har olika allotropa former, med olika molekylära konfigurationer och atomstrukturer. De fysikaliska egenskaperna hos kol varierar mycket med varje allotrop. Några av de mest kända allotroperna av kol inkluderar grafit, diamant och fullerener.
Grafit är ett av de mjukaste kända materialen och används i pennor och som ett fast smörjmedel. Den är också en bra ledare av elektricitet, vilket gör den användbar i batterier och solpaneler.
Grafen är helt enkelt ett atomlager av grafit arrangerat i ett bikakenät. I ett grafenlager är varje kolatom bunden kovalent till tre andra atomer, vilket lämnar den fjärde elektronen fri att migrera i planet, därav dess elektriska ledningsförmåga.
Diamant, tvärtom, är det hårdaste naturligt förekommande ämnet och är en av kolets unika egenskaper. Den har nästan dubbelt så stor densitet som grafit, och varje kolatom är bunden tetraedriskt till fyra andra utan friflytande elektroner. Således är diamant en dålig ledare av elektricitet. Diamant är också klar till utseendet, till skillnad från grafit, som är ogenomskinlig.
Forskare har också syntetiserat andra allotroper av kol, såsom fullerener, kolnanoskum och andra. De har speciella egenskaper och utgör ett blommande forskningsområde inom nanomaterial. Fullerener är en grupp av ihåliga kolmolekyler i en sluten bur (buckyball) eller cylinder (kolnanorör) konformation.
C60 buckyball upptäcktes av Sir Harold Kroto, Richard Smalley och Robert Curl Jr., med hjälp av en laser för att förånga grafitstavar i heliumatmosfär. Kolatomerna är förenade med enkel- och dubbelbindningar för att bilda 12 femkantiga och 20 sexkantiga ytor i en fotbollsform. Deras banbrytande insatser gav dem Nobelpriset 1996.
Kolnanorör, som är långsträckta versioner av buckyballs, identifierades av Iijima Sumio. De är utmärkta ledare av värme och elektricitet och är användbara för elektronik.
Kolnanorör uppvisar också imponerande draghållfasthet och har spännande tillämpningar inom strukturella material och medicin. Den kontrollerade syntesen av sådana nanomaterial har dock utgjort en stor utmaning för forskare.
Kemisk reaktivitet av kol
Kol utgör grunden för livet på jorden, med miljontals kolhaltiga föreningar som utgör 18 procent av allt levande. Det kan bilda stabila, kovalenta bindningar med andra atomer och uppträda som långa kedjor eller ringar av starka sammankopplande kol-kolbindningar. Dessa bidrar till mångfalden och komplexiteten hos kolföreningar som finns på jorden.
Dessa kolföreningar inkluderar organiska molekyler som proteiner, kolhydrater och DNA som finns i cellerna i levande organismer såväl som i oorganiska föreningar som koloxider. Studiet av organiska molekyler utgör ett specialiserat område som kallas organisk kemi. Kol kan också bilda kovalenta bindningar med metall som organometalliska föreningar. Järnporfyrin, som är syrebindningsstället för hemoglobin, är ett sådant exempel.
Trots sitt överflöd i naturen är kol relativt oreaktivt under normala förhållanden. Vid standardtemperatur är det inte reaktivt mot syror (svavelsyra eller saltsyra) eller alkalier. Det är också stabilt mot oxidation vid denna temperatur. Vid högre temperaturer kan dock kol reagera med syre och bilda koloxider (CO2 och CO), med svavelgas för att bilda koldisulfid och med kisel för att bilda karbider.
Isotoper av kol
Det finns 15 kända isotoper av kol, varav kol-12 (98,93 procent av naturligt kol) och kol-13 (1,07 procent) är de två stabila isotoper. Kol-14 är den längsta livslängda isotopen, med en halveringstid på 5 730 år. Den kortlivade kolisotopen är kol-8, och den har en halveringstid på 1,98739 x 10−21 sekunder.
Isotopen kol-14 representeras av 146C, där preuperscript 14 är atommassan och presubscript 6 är atomnumret. Kol-14 har mycket låg naturlig förekomst (0,0000000001 procent), men dess långa halveringstid gör den användbar för radiometrisk datering.
Kol-14 bildas när kväve-14 reagerar med neutroner från kosmisk strålning och frigör en proton i denna process. Kol-14 reagerar sedan med syre för att generera
14CO2, som är jämnt fördelad i atmosfären med 12CO2.
147N + 10n ————–>146C +11p
Kolcykeln startar när levande organismer omvandlar koldioxid (14
CO2 och 12CO2 från atmosfären) till organiska föreningar genom fotosyntes och släpper tillbaka det till atmosfären genom andning. I denna jämvikt finns det ett fast förhållande på 14CO2 och 12 CO2
i organismerna. Men när de dör upphör jämvikten och kol-14 genomgår betasönderfall till kväve-14 enligt dess halveringstid på 5 730 år.
146C ————– >147N + 0-1e
Mätning av den relativa andelen kol-14 i ett dött exemplar möjliggör således beräkning av den tid som förflutit efter dess död. Denna metod för radiokoldatering har använts i stor utsträckning för att datera fossiler och arkeologiska exemplar från 500 till 50 000 år gamla.
Carbon-13 är en annan isotop som används flitigt i många applikationer. Till exempel används det i kärnmagnetisk resonans (NMR) för att bestämma molekylära strukturer av organiska föreningar. Den används också som ett märkningsverktyg i kombination med en masspektrometer för medicinsk forskning.
Mekaniska egenskaper hos kolfibrer
Kol uppvisar också användbara mekaniska egenskaper, andra än dess fysikaliska, kemiska och nukleära egenskaper.
Det kan bildas legeringar med stål till kolstål, varav kolhalten varierar från 0,05 till 2 viktprocent. Mellankolstål (0,3-0,6 procent kol) har balanserad styrka och duktilitet, samt utmärkt draghållfasthet. Genom en process av värmebehandling kan ultrahögkolhaltigt stål (1,25-2 procent kol) härdas till stor hårdhet och användas för tillverkning av knivar.
Kolfibrer, som är 5 till 10 μm tjocka fibrer som mestadels består av kolatomer, uppvisar hög styvhet, draghållfasthet, kemisk beständighet, temperaturtolerans och låg vikt och termisk expansion. Stålets sträckgräns är beroende av dess kvalitet och mjukt stål har en sträckgräns på 247 MPa. Kolfibrer har draghållfastheter som sträcker sig från 1 600 till 6 370 MPa och är därför populära inom flyg-, anläggnings- och sportområdet.
När en stress utövas på ett material, deformeras det elastiskt till en början. I detta skede kan den återgå till sin ursprungliga form när spänningen tas bort. Flytgräns definieras som den påkänning ett material tål utan permanent deformation.
När den når en punkt (övre sträckgräns) där den inte längre kan återgå till sina ursprungliga dimensioner, genomgår den plastisk deformation, vilket är en permanent och irreversibel. Draghållfasthet är den maximala hållfasthet ett material tål utan att gå sönder eller gå sönder.
