Συστατικά άνθρακα: Τι πρέπει να γνωρίζετε

Οι ενώσεις άνθρακα είναι χημικές ουσίες που περιέχουν άτομα άνθρακα συνδεδεμένο με οποιοδήποτε άλλο στοιχείο. Υπάρχουν περισσότερες ενώσεις άνθρακα από ό, τι για οποιοδήποτε άλλο στοιχείο εκτός από το υδρογόνο. Η πλειοψηφία αυτών των μορίων είναι ενώσεις οργανικού άνθρακα (π.χ. βενζόλιο, σακχαρόζη), αν και υπάρχει επίσης ένας μεγάλος αριθμός ανόργανων ενώσεων άνθρακα (π.χ., διοξείδιο του άνθρακα). Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του άνθρακα είναι η κατεργασία, η οποία είναι η ικανότητα σχηματισμού μεγάλων αλυσίδων ή πολυμερή. Αυτές οι αλυσίδες μπορεί να είναι γραμμικές ή να σχηματίζουν δακτυλίους.

Ανθρακας συνήθως σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς με άλλα άτομα. Ο άνθρακας σχηματίζει μη πολικούς ομοιοπολικούς δεσμούς όταν συνδέεται με άλλα άτομα άνθρακα και πολικούς ομοιοπολικούς δεσμούς με μη μεταλλικά και μεταλλοειδή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο άνθρακας σχηματίζει ιοντικούς δεσμούς. Ένα παράδειγμα είναι ένας δεσμός μεταξύ ασβεστίου και άνθρακα σε καρβίδιο ασβεστίου, CaC₂.

Ο άνθρακας είναι συνήθως τετρασθενής (κατάσταση οξείδωσης +4 ή -4). Ωστόσο, είναι γνωστές και άλλες καταστάσεις οξείδωσης, συμπεριλαμβανομένων των +3, +2, +1, 0, -1, -2, και -3. Ο άνθρακας είναι γνωστό ότι σχηματίζει έξι δεσμούς, όπως στο εξαμεθυλοβενζόλιο.

Αν και οι δύο κύριοι τρόποι ταξινόμησης των ενώσεων άνθρακα είναι οργανικοί ή ανόργανοι, υπάρχουν τόσες πολλές διαφορετικές ενώσεις που μπορούν να υποδιαιρεθούν περαιτέρω.

Τα αλλοτρόπια είναι διαφορετικές μορφές ενός στοιχείου. Από τεχνική άποψη, δεν είναι ενώσεις, αν και οι δομές συχνά καλούνται με αυτό το όνομα. Σημαντικά αλλοτρόπα άνθρακα περιλαμβάνουν άμορφο άνθρακα, διαμάντι, γραφίτη, γραφένιο και φουλλερένια. Άλλα αλλοτρόπια είναι γνωστά. Παρόλο που τα αλλοτρόπα είναι όλες οι μορφές του ίδιου στοιχείου, έχουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες από το άλλο.

Οι οργανικές ενώσεις κάποτε ορίστηκαν ως οποιαδήποτε ένωση άνθρακα που σχηματίστηκε αποκλειστικά από έναν ζωντανό οργανισμό. Τώρα πολλές από αυτές τις ενώσεις μπορούν να συντεθούν σε ένα εργαστήριο ή έχουν βρεθεί διακριτές από τους οργανισμούς, οπότε ο ορισμός έχει αναθεωρηθεί (αν και δεν συμφωνήθηκε). Μια οργανική ένωση πρέπει να περιέχει τουλάχιστον άνθρακα. Οι περισσότεροι χημικοί συμφωνούν ότι το υδρογόνο πρέπει επίσης να είναι παρόν. Ωστόσο, αμφισβητείται η ταξινόμηση ορισμένων ενώσεων. Οι κύριες κατηγορίες οργανικών ενώσεων περιλαμβάνουν (αλλά δεν περιορίζονται σε) υδατάνθρακες, λιπίδια, πρωτεΐνες, και νουκλεϊκά οξέα. Παραδείγματα οργανικών ενώσεων περιλαμβάνουν βενζόλιο, τολουόλιο, σακχαρόζη και επτάνιο.

Ανόργανες ενώσεις μπορούν να βρεθούν σε μέταλλα και άλλες φυσικές πηγές ή μπορούν να γίνουν στο εργαστήριο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν οξείδια του άνθρακα (CO και CO₂), ανθρακικά (π.χ., CaCO₃), οξαλικά (π.χ., BaC₂Ο₄), σουλφίδια άνθρακα (π.χ., δισουλφίδιο του άνθρακα, CS₂), ενώσεις άνθρακα-αζώτου (π.χ. κυανιούχο υδρογόνο, HCN), αλογονίδια άνθρακα και καρβοβανικά.

Οι οργανομεταλλικές ενώσεις περιέχουν τουλάχιστον έναν δεσμό άνθρακα-μετάλλου. Παραδείγματα περιλαμβάνουν μόλυβδο τετρααιθυλίου, σιδηροκένιο και άλας Zeise.

Αρκετά κράματα περιέχουν άνθρακα, συμπεριλαμβανομένου του χάλυβα και του χυτοσιδήρου. Τα "καθαρά" μέταλλα μπορούν να καπνιστούν χρησιμοποιώντας κωκ, γεγονός που τους αναγκάζει να περιέχουν και άνθρακα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν αλουμίνιο, χρώμιο και ψευδάργυρο.

Ορισμένες κατηγορίες ενώσεων έχουν ονόματα που υποδεικνύουν τη σύνθεσή τους:

• Καρβίδια: Τα καρβίδια είναι δυαδικές ενώσεις που σχηματίζονται από άνθρακα και άλλο στοιχείο με χαμηλότερη ηλεκτροαρνητικότητα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το Al₄ντο₃, CaC₂, SiC, TiC, WC.
• Αλογονίδια άνθρακα: Τα αλογονίδια άνθρακα αποτελούνται από άνθρακα δεσμευμένο σε ένα αλογόνο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τετραχλωράνθρακα (CCl₄) και τετραϊωδίδιο του άνθρακα (CI₄).
• Carboranes: Τα καρμποράνια είναι μοριακά συσσωματώματα που περιέχουν τόσο άνθρακα όσο και άτομα βορίου. Ένα παράδειγμα είναι το Η₂ντο₂σι₁₀H₁₀.

Οι ενώσεις άνθρακα έχουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά:

1. Οι περισσότερες ενώσεις άνθρακα έχουν χαμηλή αντιδραστικότητα σε συνηθισμένη θερμοκρασία, αλλά μπορούν να αντιδρούν έντονα όταν εφαρμόζεται θερμότητα. Για παράδειγμα, η κυτταρίνη στο ξύλο είναι σταθερή σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά καίγεται όταν θερμαίνεται.
2. Κατά συνέπεια, οι οργανικές ενώσεις άνθρακα θεωρούνται εύφλεκτες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν πίσσα, φυτική ύλη, φυσικό αέριο, πετρέλαιο και άνθρακα. Μετά την καύση, το υπόλειμμα είναι κυρίως στοιχειακός άνθρακας.
3. Πολλές ενώσεις άνθρακα είναι μη πολικές και εμφανίζουν χαμηλή διαλυτότητα στο νερό. Για το λόγο αυτό, το νερό μόνο δεν επαρκεί για την απομάκρυνση του λαδιού ή του γράσου.
4. Οι ενώσεις άνθρακα και αζώτου συχνά παράγουν καλές εκρηκτικές ύλες. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων μπορεί να είναι ασταθές και πιθανό να απελευθερώσουν σημαντική ενέργεια όταν σπάσουν.
5. Οι ενώσεις που περιέχουν άνθρακα και άζωτο τυπικά έχουν μια ξεχωριστή και δυσάρεστη οσμή ως υγρά. Η στερεά μορφή μπορεί να είναι άοσμη. Ένα παράδειγμα είναι το νάιλον, το οποίο μυρίζει μέχρι να πολυμεριστεί.

Οι χρήσεις των ενώσεων άνθρακα είναι απεριόριστες. Η ζωή όπως γνωρίζουμε βασίζεται στον άνθρακα. Τα περισσότερα προϊόντα περιέχουν άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων των πλαστικών, των κραμάτων και των χρωστικών ουσιών. Τα καύσιμα και τα τρόφιμα βασίζονται στον άνθρακα.