Szén

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Bór → Szén → Nitrogén
C ↓ Si
	Teljes tábla

Általános

Név, vegyjel, rendszám

Szén, C, 6

Kategória

Nemfémek

Csoport, periódus, mező

14 (IVA), 2, p

Sűrűség, keménység

2267 kg/m³,
0,5 (grafit)
10 (gyémánt)

Megjelenés

fekete (grafit)
színtelen (gyémánt)

Atomi jellemzők

Relatív atomtömeg

12,0107 u

Atomsugár (számított)

70 (67) pm

Kovalens sugár

77 pm

van der Waals sugár

170 pm

Elektronszerkezet

[He]2s²2p²

e^- energiaszintenként

2, 4

Oxidációs állapotok (oxid)

4, 2 (gyenge sav)

Kristályszerkezet

hexagonális (grafit)

Fizikai jellemzők

Halmazállapot / Mágnesség

szilárd / nem mágneses

Olvadáspont

3773 K (3500 °C)

Forráspont

5100 K (4827 °C)

Moláris térfogat

5,29 ·10^-6 m³/mol

Párolgáshő

355,8 kJ/mol

Olvadáshő

ismeretlen (szublimál)

Gőznyomás

0 (?) Pa

Hangsebesség

18350 m/s (293,15 K)

Egyéb

Elektronegativitás

2,55 (Pauling skála)

Fajlagos hőkapacitás

710 J/(kg·K)

Elektromos vezetőképesség

0,061 · 10⁶/m Ω

Hővezetési képesség

129 W/(m·K)

1. ionizációs potenciál

1086,5 kJ/mol

2. ionizációs potenciál

2352,6 kJ/mol

3. ionizációs potenciál

4620,5 kJ/mol

4. ionizációs potenciál

6222,7 kJ/mol

5. ionizációs potenciál

37831 kJ/mol

6. ionizációs potenciál

47277 kJ/mol

Legstabilabb izotópok

izo	T.E.	fel. idő	B.m.	B.E. (MeV)	B.t.
¹²C	98,9%	C stabil 6 neutronnal
¹³C	1,1%	C stabil 7 neutronnal
¹⁴C	{nyomokban}	5730 év	β^-	0,156	¹⁴N

A táblázatban SI mértékegységek szerepelnek.

Ahol lehetséges, az adatok normálállapotra vonatkoznak.

Az ezektől való eltérést egyértelműen jelezzük.

A 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 allotróp módosulata is létezik: legjelentősebbek a grafit, a gyémánt és a fullerének.

A gyémánt a legkeményebb ismert ásvány. Az sp³-hibridizáció során négy, egyenértékû sp3 hibridpálya jön létre, úgy, hogy a szénatom egy szabályos tetraéder középpontjában helyezkedik el és a kötések a tetraéder csúcsai felé mutatnak. Széles tiltott sávú félvezető.
A grafit egyike a legpuhább anyagoknak. 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.

Az állati szén apró grafitszerű részekből áll. Ezek véletlenszerűen oszlanak el, a struktúra egésze tehát izotrópikus.

Az úgynevezett 'üveges szén' 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 szén síkjait a szál irányába lehet rendezni. A szál tengelyére merőlegesen egyáltalán nem rendeződnek szénsíkok. Ennek eredményeként a szénszál szakítószilárdsága az acélénál is nagyobb lehet.

A szén minden szerves élő anyagban előfordul, és a szerves kémia alapját képezi. Jellemző kémiai tulajdonsága, hogy önmagával és más elemekkel a vegyületek széles skáláját képes kialakítani, jelenleg közel 10 millió szénvegyületet ismerünk. Ha oxigénnel egyesül, szén-dioxid keletkezik, ami a növények fejlődéséhez alapvető fontosságú. Hidrogénnel szénhidrogéneket képez, amiket az ipar elsősorban állati maradványból képződött energiaforrások (pl. kőolaj) formájában hasznosít. Oxigénnel és hidrogénnel zsírsavakat, észtereket is alkot. A szén-14 izotópot a radioaktív kormeghatározásban használják.

[szerkesztés] 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 alfarészecskék (hélium atommagok) hármas ütközése során jöhetnek létre. Az univerzum kezdetben túl gyorsan tágult és hűlt le ahhoz hogy ez megtörténhessen. Termelődik viszont szén felszálló ágban lévő csillagok belsejében, ahol a három alfás (vagy Salpeter-) ciklus során a hélium atommag alakul nagyon rövid időre berilliummá, majd szénné.

[szerkesztés] Felhasználása

A szén minden ismert élet alapja, enélkül az élet – ahogy mi ismerjük – nem lézethetne. A gazdaság a szenet főleg szénhidrogén formájában hasznosítja, a fosszilis tüzelőanyagok formájában, úgymint metángáz és nyersolaj. A nyersolajból az olajipar kőolajat, gázolajat és kerozint állít elő 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
a gyémántot díszítésre használják, keménysége miatt pedig fúrók anyagaként
szenet adnak a nyersvashoz az acél előállítása során
szénből van az atomerőművek szabályzórúdja
az orvosok széntablettát adnak mérgezések esetén, mert jól megköti a mérgeket

A fullerének kémiai és szerkezeti tulajdonságai ígéretes jövőt jósolnak neki a nanotechnológiában (szén nanocsövek).

[szerkesztés] Története

A faszenet az emberiség már a történelem előtti időkben ismerte, szerves anyagok oxigénhiányos égetésével állította elő. A gyémántot is régóta nagy becsben tartják. A legfrissebb szén-módosulatot, a fulleréneket az 1980-as években fedezték fel.

[szerkesztés] Allotróp módosulatai

A szénnek legalább négy allotróp alakjáról tudunk: amorf szén, grafit, gyémánt és a fullerének. 2004. március 22-én jelentették be egy ötödik alak létezését: [1][2].

Az amorf alak lényegében megegyezik a grafittal, de nincsen kristályos makroszerkezete. Ehelyett porszerű anyag, ami a faszén fő alkotóelemét adja.

Normál légköri nyomáson a szén grafit alakban létezik, ilyenkor minden atomja három vele egy síkban lévő atomhoz kötődik, és így egymásba fonódó hatszögű gyűrűket alkotnak, hasonlóan az aromás szénhidrogénekhez. A grafit hexagonális (alfa-grafit) és rombohedrális (béta-grafit) rendszerben kristályosodhat. A természetben található grafit max. 30%-ot tartalmaz a béta-formából, míg a mesterségesen előállított grafit egyáltalán nem tartalmaz. Az alfa-grafitból bétát előállítani mechanikai kezeléssel lehet, a béta-grafit pedig 1000 °C fölé hevítve visszaalakul alfa-grafittá.

Delokalizált pi-mezője miatt a grafit vezeti az elektromosságot. Mivel a grafit puha, és rétegeit csak a van der Waals-erő tartja össze, jól hasítható.

Igen nagy nyomáson keletkező allotróp szénmódosulat a gyémánt, melyben minden szénatom egy szabályos tetraéder középpontjában helyezkedik el, és a kötések a tetraéder csúcsai felé mutatnak. A szén-szén kötés ereje miatt a bór-nitriddel együtt a legnagyobb a keménysége az ismert anyagok között. Szobahőmérsékleten észrevehetetlenül lassan a stabilabb grafit-alakba megy át.

A fulleréneknek grafithoz hasonló a szerkezetük, de nem tisztán hexagonálisak, hanem öt- és hétszögeket is tartalmaznak, amiktől a grafit síkja szferikus, elliptikus vagy hengeres alakban torzul. Kémiai tulajdonágaikat még nem ismerjük tökéletesen. Nevüket Buckminster Fullerről kapták.