C, avagy szén
A periódusos rendszer egy kémiai eleme. Vegyjele C, rendszáma 6. A IV. főcsoportba, a nemfémek közé tartozik. Négy vegyértékű, a természetben nagy mennyiségben előforduló elem. Több allotrop módosulata is létezik: legjelentősebbek a grafit, a gyémánt és a fullerének.
Formái
- A gyémánt a legkeményebb ismert ásvány. Az sp3-hibridizáció során négy, egyenértékű sp3 hibridpálya jön létre, úgy, hogy a szénatom egy szabályos tetraéder középpontjában helyezkedik el és a kötések a tetraéder csúcsai felé mutatnak. A tetraéderes elrendeződés miatt a létrejövő molekulák nagy stabilitásúak. Széles tiltott sávú félvezető. Nagy a fénytörése, és ha idegen anyagokkal érintkezik megváltozhat a színe. Áramot nem vezet.
- A grafit egyike a legpuhább anyagoknak. Lágy és könnyen hasad, a papíron nyomot hagy. A hőt és elektromosságot jól vezeti. Az sp2-hibridizáció során csak három elektron vesz részt a kötések kialakulásában, ezek három, ugyanabban a síkban, egymástól 120°-ra elhelyezkedő kötést eredményeznek, míg a negyedik elektron a síkra merőleges pályán helyezkedik el. A három egymással 120° szöget bezáró kötés eredményezi a grafit, hatszöges rétegekből felépülő, „méhsejt-szerű” atomi elrendeződését.
- A fullerének nanométer nagyságrendű molekulák. Legegyszerűbb formájában 60 szénatom grafitréteget alkot, ami 3 dimenzióban meg van hajlítva, futball-labda alakra. A térfogatuk 70%-ra összenyomva szilárdságuk a gyémántét is meghaladja. Különféle körülmények között alkalmas hőszigetelésre, félvezetésre vagy szupravezetésre.
Az „állati” apró grafitszerű részekből áll. Ezek véletlenszerűen oszlanak el, a struktúra egésze tehát izotrópikus. Az úgynevezett „üveges” izotrópikus, és az üveghez hasonló tulajdonságokat mutat. A grafitrétegek nem úgy rendeződnek benne, mint a sima grafitban, hanem össze vannak gyűrődve mint egy összegyűrt papíros.
A szénszál az üveges szénre hasonlít. Különleges kezeléssel (a szálak nyújtása és karbonizációja) a síkjait a szál irányába lehet rendezni. A szál tengelyére merőlegesen egyáltalán nem rendeződnek szénsíkok. Ennek eredményeként a szénszál szakítószilárdsága az acélénál is nagyobb lehet.
Jellemzői
A szén több szempontból is figyelemreméltó elem. Különböző formái között megtalálható az ember által ismert egyik legpuhább (grafit) és legkeményebb (gyémánt) anyag is. Ezentúl, könnyen létesít kémiai kötést más kis atomokkal, beleértve más szénatomokat, kis mérete pedig többszörös kötések kialakítására is alkalmassá teszi. Ezen tulajdonságai miatt több mint 10 millió különböző vegyületet alkot. A szénvegyületek a földi élet alapjául szolgálnak, és a szén-nitrogén ciklus során a Nap és más csillagok energiatermelésében is részt vesz.
A Nagy Bumm során nem keletkeztek szénatomok, mivel azok csak alfa-részecskék (hélium atommagok) hármas ütközése során jöhetnek létre. Az univerzum kezdetben túl gyorsan tágult és hűlt le ahhoz hogy ez megtörténhessen. Termelődik viszont a felszálló ágban lévő csillagok belsejében, ahol a három alfás (vagy Salpeter-) ciklus során a hélium atommag alakul nagyon rövid időre berilliummá, majd szénné.
A periódusos rendszer egyetlen elemének, a szénnek ma több ismert vegyülete van, mint az összes többi elemnek együttvéve. A napjainkig megismert szénvegyületek száma több, mint 5 millió. Ezt a szénatom különleges tulajdonságai teszik lehetővé.
Az alapállapotú szénatom elektronszerkezete: 1s22s22p2 A szénatom vegyértékelektronjából kettő párosított és kettő párosítatlan. A párosított elektronok egyike energia felvételével az üres 2p atompályára kerül. Ezt követően (kötések létesülésekor) az 1 db 2s pálya hibridizálódik (keveredik, kombinálódik) a 3 db 2p pályával és 4 db egymással egyenértékű (azonos energiájú) sp3-hibridpálya jön létre. A szénatom nemesgázszerkezet eléréséhez négy elektront képes felvenni, amit négy kovalens kötés kialakításával ér el.
Csoportosítása
A szerves vegyületek csoportosítására lehetőséget ad a szénlánc alakja. Eszerint megkülönböztetünk nyílt láncú és zárt láncú (gyűrűs) vegyületeket. az elágazást nem tartalmazó szénláncot normális szénláncnak nevezzük. a valóságban a láncok nem egyenesek, hanem “zegzugosak”. Ennek az az oka, hogy a szénatomok a tetraéderes kötésirányok miatt sosem esnek egy egyenesbe. A nyílt láncú szénvegyületek lehetnek normális vagy elágazó láncúak.
A szénatomok közötti kötések alapján is csoportosíthatjuk a szénvegyületeket. Azokat s szerves vegyületeket, melyekben a szénatomok csak egyszeres kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, telített vegyületeknek nevezzük. Azokat a szénvegyületeket, amelyek molekuláiban vannak olyan szénatompárok, amelyek közt kétszeres vagy háromszoros kötés is van, telítetlen szénvegyületeknek nevezzük. (Mindkét csoportban lehetnek nyílt láncú és gyűrűs molekulák is.)
Felhasználása
Minden ismert élet alapja, enélkül az élet – ahogy mi ismerjük – nem létezhetne. A gazdaság a szenet főleg mint ásványi szén használja. Elsősorban elektromos energia elállítására a széntüzelésű erőművekben. De nagy mennyiségű szén kell a vasolvasztókban, ahol az égése a magas hőmérsékletet szolgáltatja, és egyidejűleg kiredukálja a vasat a vasércből. A világon ma évente kb. 4.5 milliárd tonna szenet bányásznak (2007). Kényelmes fosszilis tüzelőanyagok a szénhidrogének (földgáz, nyersolaj). A nyersolajból az olajipar benzint, gázolajat, kerozint, kenőolajokat stb. állít elő a lepárlóüzemekben. A nyersolaj képezi az alapját számos szintetikus anyagnak, amiket összefoglalóan műanyagoknak hívunk.
Egyéb felhasználásai:
- 14C-izotópot (felfedezése: 1940. február 27.) használnak a radiokarbon kormeghatározásban
- Egyes füstdetektorok kis mennyiségű radioaktív szénizotópot tartalmaznak ionizáló sugárzásforrásként. (A legtöbb ilyen detektor amerícium-izotópot használ.)
- a grafitot agyagásványokkal vegyítve a ceruzabél anyagát kapjuk
- az ékszergyémántot díszítésre használják
- az ipari gyémánt keménysége miatt fúró, vágó ill. csiszoló anyag
- szenet adnak a nyersvashoz az acél előállítása során
- grafitot használnak némelyik típusú atomerőmű (Csernobil) moderátor anyagaként
- az orvosok széntablettát adnak mérgezések esetén, mert jól megköti a mérgeket
- élelmiszer-adalékként jele E153
- Vízipipán a dohányt ez hevíti fel és tartja izzásban 🙂
A fullerének kémiai és szerkezeti tulajdonságai ígéretes jövőt jósolnak neki a nanotechnológiában (nanocsövek).
Forrás: Wikipédia – Szén