Kol

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Den här artikeln handlar om grundämnet kol. För olika bergarter som benämns kol, se Kol (bränsle). För andra betydelser, se Kol (olika betydelser).
Kol
Nummer
6
Tecken
C
Grupp
14
Period
2
Block
p

C

Si
BorKolKväve
   
Grafit (vänster) och diamant (höger) – de två mest kända allotroperna av kol.
Grafit (vänster) och diamant (höger) – de två mest kända allotroperna av kol.


Emissionsspektrum
Emissionsspektrum
Generella egenskaper
Ämnesklass      Polyatomisk icke-metall
Relativ atommassa 12,011 (12,0096–12,0116)[1][2] u
Utseende G: Svart
D: Färglös (diamant)
Allotroper Grafit (G)
Diamant (D)
Amorft kol (A)
Fulleren
Grafen
Fysikaliska egenskaper
Densitet A: 1,8–2,1 g/cm3[3]
G: 2,267 g/cm3
D: 3,515 g/cm3[4]
Aggregationstillstånd Fast
Smältpunkt G: 3773 K (3550 °C)
D: 3823 K (3600 °C)
Kokpunkt 5100 K (4827 °C)
Sublimationspunkt 3915 K ​(3642 °C)[5]
Trippelpunkt 4600 K (4327 °C)
​10800 kPa[6][7]
Molvolym 5,3145 × 10−6 m3/mol
Värmevärde −393[8] J/(kg × K)
Smältvärme G: 117 kJ/mol
Ångbildningsvärme Sublimation: 715 kJ/mol
Specifik värmekapacitet G: 709[9] J/(kg × K)
D: 427 J/(kg × K)
Molär värmekapacitet G: 8,517 J/(mol × K)
D: 6,155 J/(mol × K)
Atomära egenskaper
Atomradie 70 pm
Kovalent radie 73 ± 4 pm
van der Waalsradie 170 pm
Elektronaffinitet 153,9 kJ/mol
1:a jonisationspotential 1086,5 kJ/mol
2:a jonisationspotential 2352,6 kJ/mol
3:e jonisationspotential 4620,5 kJ/mol
4:e jonisationspotential 6222,7 kJ/mol
5:e jonisationspotential 37831 kJ/mol
6:e jonisationspotential 47277 kJ/mol
Arbetsfunktion 4,81 eV
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration [He] 2s2 2p2
e per skal 2, 4
Elektronkonfiguration
Kemiska egenskaper
Oxidationstillstånd +4, +3,[10] +2, +1,[11] 0, −1, −2, −3, −4[12]
Oxider (basicitet) CO2; CO (svagt sur)
Elektronegativitet 2,55 (Paulingskalan)
2,544 (Allenskalan)
Diverse
Kristallstruktur G: Hexagonal
D: Diamantstruktur
Kristallstruktur
Kristallstruktur
Ljudhastighet D: 18350 µm/(m × K) (25 °C)
Termisk expansion D: 0,8[13] µm/(m × K) (25 °C)
Värmeledningsförmåga G: 140[8] W/(m × K)
D: 900–2300 W/(m × K)
Elektrisk konduktivitet G: 105 S/m (Ω−1 × m−1)
D: 0,001[8] A/(V × m)
Elektrisk resistivitet G: 7,837[14] × m (20 °C)
Magnetism Diamagnetisk[15]
Magnetisk susceptibilitet D: −2,2 × 10−5[16]
G: −4,5 × 10−4[17]
Brytningsindex D: 2,417[8]
Youngs modul D: 1050[13] GPa
Skjuvmodul D: 478[13] GPa
Kompressionsmodul D: 442[13] GPa
Poissons konstant D: 0,1[13]
Mohs hårdhet G: 0,5
D: 10
Identifikation
CAS-nummer 7440-44-0
EG-nummer 231-153-3
Pubchem 5462310
RTECS-nummer FF5250100
Historia
Namnursprung Från latin carbo, ”träkol[18][19]
Förutsägelse Egyptier och sumer[20] (3750 f.Kr.)
Fastställt som ett
grundämne av
Antoine Lavoisier[21] (1789)
Stabilaste isotoper
Huvudartikel: Kolisotoper
Nuklid NF t1/2 ST SE (MeV) SP


10C
{syn.} 19,255 s β+ 3,648 10B
11C
{syn.} 20,334 min β+ 1,982 11B
ε 11B
12C
98,9 % Stabil
13C
1,1 % Stabil
14C
Spår 5730 a β 0,156 14N
15C
{syn.} 2,449 s β 9,772 15N
16C
{syn.} 0,747 s β + n 8,012 15N
β 16N


Säkerhetsinformation
NFPA 704

NFPA 704.svg

1
0
0
SI-enheter och STP används om inget annat anges.

Kol (latin: Carbo) är ett grundämne som har det kemiska tecknet C och atomnumret 6. Livet vi känner är baserat på grundämnet kol. Av detta skäl kallas alla molekyler, där kol- och väteatomer ingår, för organiska. Oorganiska ämnen är således de ämnen som innehåller vilket som helst av de övriga grundämnena, utom både kol och väte samtidigt. Trots detta känner vi idag till fler organiska ämnen än icke-organiska.

Som rent material förekommer kol i fem olika former (allotroper): grafit, grafen, diamant, fullerener och amorft kol.

Det rena kolets egenskaper och dess användning beskrivs under respektive uppslagsord (se nedan). Grafit, diamant och stenkol bryts i gruvor. Alla allotroper av kol är kemiskt motståndskraftiga, men kan oxideras med syre eller halogener. Kol finns med några procents halt i de flesta sorters stål och järn. Kolet är då legerat i järnet och bidrar till järnets hårdhet.

Av de oorganiska kemiska kolföreningarna kan speciellt nämnas:

  • Kiselkarbid (SiC) – ett mycket hårt syntetiskt ämne som bland annat används som slipmedel.
  • Koldioxid (CO2) – spelar stor biologisk roll, och produceras när levande varelser andas, används för att få piff på läskedrycker och för viss eldsläckning. Koldioxid är även en viktig växthusgas.
  • Kolmonoxid (CO) – en mycket giftig gas som produceras vid ofullständig förbränning, men som också används för ett stort antal tekniskt–kemiska processer, bland annat nickelframställning.
  • Karbonater (metall + CO32−) – många former förekommer i naturen som mineral.
  • Cyanider (ämne + CN) – mycket giftiga eftersom de liksom kolmonoxid har förmågan att förhindra syreupptagning genom blockera hemgruppen i hemoglobin.

Kol är universums fjärde vanligaste atomslag. Endast väte, helium och syre är vanligare.

”Kol” är också en beteckning på ett antal bränslen i fast form (se vidare artikeln ”Kol (bränsle)”) med en hög andel av grundämnet kol. Inget av dem utgörs dock av grundämnet i ren form, vilket ibland skapar viss begreppsförvirring på svenska. På de flesta andra språk har grundämnet och bränslet olika namn, exempelvis carbon (grundämnet) respektive coal (bränslet) på engelska och Kohlenstoff (grundämnet) respektive Kohle (bränslet) på tyska.

Historia[redigera | redigera wikitext]

Några kolallotroper: a) diamant; b) grafit; c) lonsdaleit; d–f) fullerener (C60, C540, C70); g) amorft kol; h) nanorör.
Fasdiagram för Kol.

Diamant, grafit och förbränningskol har varit känt sedan urminnes tid, och det antas också ha man har känt till att de var olika former av ett och samma ämne. Engelsmannen John Dalton var dock den förste som förstod att kol var ett grundämne (1803) – ett resultat som inte publicerades förrän 1807. Den senast upptäckta formen (grafen) fick 2010 års nobelpris i fysik.

Artificiella diamanter framställdes första gången av fransmannen Henri Moissan (1893).[22]

Användning[redigera | redigera wikitext]

  • Grafit används som smörjmedel och, blandad med lera, till blyertspennor.
  • Diamant används till skärverktyg, borrkronor och smycken.
  • Stenkol – som är en oren form av kol – används som bränsle. Efter upphettning, utan lufttillträde, erhålls stadsgas, stenkolstjära och koks av stenkol.
  • Träkol – även det en oren form av kol – används bland annat i svartkrut till fyrverkerier.
  • Aktivt kol används i filter samt medicinskt vid förgiftningar.
  • Koldioxid används som skyddsgas och i kolsyrade drycker.
  • Koldisulfid och koltetraklorid används som lösningsmedel. [22]

Orbitaler[redigera | redigera wikitext]

Anledningen till att ämnet kol förekommer i en sådan mångfald av former är att dess elektronkonfiguration gör att det har exakt fyra valenselektroner. Dessa kan hybridiseras[förtydliga] på tre olika sätt (sp3, sp2 och sp), vilket innebär att kolatom kan bilda en enkel-, dubbel- eller trippelbindning till en annan kolatom. Kol kan därmed skapa extremt starka riktade kovalenta bindningar mellan atomer.

Isotoper[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Kolisotoper

Kol har endast två stabila isotoper, nämligen 12C (vars massa atommassenheten u definieras utifrån) och 13C. Av de radioaktiva isotoperna är 14C den klart viktigaste, eftersom dateringsmetoden 14C-metoden baseras på dess sönderfall. Eftersom alla livsformer på jorden är kolbaserade – och 14C ständigt nybildas i atmosfären – kommer det att upptas i alla levande organismer och förhållandet mellan 14C och de stabila isotoperna kommer att vara någorlunda konstant under organismens livstid, med undantag för långlivade arter som träd (vilka å andra sidan kan användas för att kalibrera skalan). När organismen dör börjar 14C direkt sönderfalla till kväve. Eftersom halveringstiden för 14C är 5730 år har det förutom att det ingår i alla levande organismer i någorlunda höga halter dessutom fördelen att det sönderfaller över en tidsskala som är lämplig för att mäta mänskliga aktiviteter, och är därför ett ovärderligt verktyg för arkeologer. Emellertid, ju äldre materialet är desto mindre precis blir den, och den kan därför knappast användas för föremål som är äldre än 40 000 år.

Former[redigera | redigera wikitext]

Kristallint kol antar flera former, med kraftigt varierande egenskaper:

  • Diamant – ett av de hårdaste ämnena människan känner till som förekommer naturligt. Det används därför som skärverktyg och i borrspetsar. Dessutom är den en ädelsten och används ofta i smycken.
  • Grafit – kol ordnat i lager, där bindningarna i varje lager är mycket starka medan bindningarna mellan lagren är betydligt svagare. Detta gör att grafit används i både blyertspennor och som smörjmedel. Endast ett enkelt lager av grafit kallas grafen, ett ämne forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov utfört experiment med, experiment som belönade dem med Nobelpriset i fysik (2010).
  • Fullerener – kolatomer formade i ”bollar” eller nanorör, med ett flertal olika möjliga varianter av båda. Båda har intressanta egenskaper för nanoteknik, bland annat för att rören är extremt hållfasta samtidigt som den elektriska ledningsförmågan varierar mellan olika varianter av dem.
  • Grafen – ett material som till stora delar har samma egenskaper och uppbyggnad som grafit. Till skillnad från grafit utgörs grafen av en ytterst tunn skiva, endast en atom tjock. Atomerna är ordnade i ett hexagonalt mönster vilket ger materialet ett antal unika egenskaper utöver de som delas med grafit. Grafen upptäcktes av Andre Geim och Konstantin Novoselov som fick Nobelpriset i fysik för upptäckten. Grafen är mycket speciellt på grund av att det är just en atom tjockt men kan ändå bära vikten av en katt ifall man formade ett "lakan" av det. Styrkan i materialet är 300 gånger den hos stål, dessutom har materialet en utmärkt förmåga att leda elektricitet.

Utöver de kristallina formerna förekommer rent kol i naturen i varierande blandningar av amorft och kristallint kol, till exempel som sot eller stenkol.

Galleri[redigera | redigera wikitext]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Källor[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
  2. ^ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  3. ^ Mall:RubberBible86th
  4. ^ Mall:Holleman-Wiberg
  5. ^ Mall:CRC Handbook
  6. ^ Haaland, D (1976). ”Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon”. Carbon "14" (6): sid. 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5. 
  7. ^ Savvatimskiy, A (2005). ”Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon "43" (6): sid. 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027. 
  8. ^ [a b c d] ”Technical data for Carbon” (på engelska). periodictable.com. http://periodictable.com/Elements/006/data.html. Läst 4 november 2015. 
  9. ^ Mall:CRC Handbook
  10. ^ ”Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP”. http://bernath.uwaterloo.ca/media/36.pdf. Läst 2007-12-06. 
  11. ^ ”Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical”. http://bernath.uwaterloo.ca/media/42.pdf. Läst 2007-12-06. 
  12. ^ ”Carbon: Binary compounds”. http://www.webelements.com/webelements/elements/text/C/comp.html. Läst 2007-12-06. 
  13. ^ [a b c d e] Properties of diamond, Ioffe Institute Database
  14. ^ https://www.nde-ed.org/GeneralResources/MaterialProperties/ET/ET_matlprop_Misc_Matls.htm
  15. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  16. ^ Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  17. ^ Simon MD, Geim AK (2000): Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87, S. 6200–6204 (doi:10.1063/1.372654).
  18. ^ Royal Society of Chemistry – Visual Element Periodic Table
  19. ^ – Online Etymological Dictionary
  20. ^ ”History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky”. Caer.uky.edu. http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml. Läst 2008-09-12. 
  21. ^ Senese, Fred (2000-09-09). ”Who discovered carbon?”. Frostburg State University. http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/inorganic/faq/discovery-of-carbon.shtml. Läst 2007-11-24. 
  22. ^ [a b] Anders Lennartsson, Periodiska systemet, Studentlitteratur, 2011

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]