Szén

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
6 bórszénnitrogén
-

C

Si
Általános
Név, vegyjel, rendszám szén, C, 6
Elemi sorozat nemfémek
Csoport, periódus, mező 14, 2, p
Megjelenés fekete
C,6.jpg
Atomtömeg 12,0096–12,0116 g/mol[1]
Elektronszerkezet [He] 2s2 2p2
Elektronok héjanként 2, 4
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Hármaspont 4600 K, 10 800 000 Pa
Szublimációs pont 3915 K
(3642 °C, 6588 °F)
Forráspont 5100 K
(4827 °C, - °F) 10 MPa nyomáson
Párolgáshő \Delta_{vap}{H}^\ominus 355,8 kJ/mol
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet hexagonális (grafit)
Oxidációs szám 4, 2 (gyenge sav)
Elektronegativitás 2,55 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 1086,5 kJ/mol
2.: 2352,6 kJ/mol
3.: 4620,5 kJ/mol
Atomsugár - pm
Atomsugár (számított) 70 (67) pm
Kovalens sugár 77 pm
Van der Waals-sugár 170 pm
Egyebek
Mágnesség diamágneses[2]
Hőmérséklet-vezetési tényező (300 K) 129W/(m·K)
Hangsebesség 18 350 m/s
CAS-szám -
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A szén izotópjai
Izotóp t.e. felezési 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
Hivatkozások

A szén egy kémiai elem. Vegyjele C. Nyelvújításkori magyar neve széneny[3] A periódusos rendszer hatodik eleme: rendszáma 6, a IV. főcsoportban és második periódusban helyezkedik el. Négy vegyértékű, nemfém. Tiszta állapotban több allotrop módosulatban is létezik: legjelentősebbek a grafit, a gyémánt és a fullerének. Kötött állapotban a karbonátokban, a szén-dioxidban és az élő szervezeteket alkotó szerves vegyületekben fordul elő. Nélküle nem létezne élet a Földön.

A természetben nem található nagy mennyiségben, nem tartozik a leggyakoribb elemek közé, de az élővilág számára nélkülözhetetlen.

Jellemzői[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 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 szén 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 20 millió. Ezt a szénatom különleges tulajdonságai teszik lehetővé.

Az alapállapotú szénatom elektronszerkezete: 1s^2 2s^2 2p^2 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) sp^3-hibridpálya jön létre. A szénatom nemesgázszerkezet eléréséhez négy elektront képes felvenni, amit négy kovalens kötés kialakításával ér el.

Allotrop módosulatai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szén allotrop módosulatai: a) Gyémánt, b) Grafit, c) Lonszdaleit, d)Nanofoci: C60, e)C540, f)C70, g)Amorf szén, h) Nanocső

A szénnek több allotrop módosulatáról tudunk, ezek közül a legismertebbek az amorf szén, grafit, gyémánt és a fullerének és nanocsövek. 2004. március 22-én jelentették be egy mágneses módosulat létezését: [3].

  • Gyémánt

A gyémánt a szén igen nagy nyomáson keletkező allotrop módosulata, a legkeményebb ismert ásvány. Keménysége 10 a Mohs-féle keménységi skálán.

A gyémántban minden szénatom négy másik szénatomhoz kapcsolódik kovalens kötéssel, a kötések egy szabályos tetraéder csúcsai felé mutatnak. A szénatomok sp3-hibridállapotban vannak, a kovalens kötést négy, egyenértékű sp3 hibridpálya hozza létre.
Atomrácsa van, melyben a szénatomok erős kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz.
Átlátszó, nem vezeti az elektromos áramot. Nagy a fénytörése. Ha idegen anyagok szennyezik, megváltozhat a színe.
  • Grafit

A grafit a szén másik allotrop módosulata: a szénatomok három másik atommal kapcsolódnak kovalens kötéssel, mivel az sp²-hibridizáció során csak három elektron vesz részt a kötések kialakulásában. A kötésszög 120°-os. A negyedik elektron nem vesz részt kémiai kötés kialakításában, emiatt a grafit jól vezeti az elektromosságot és a hőt.

Szabályos hatszög alakú gyűrűkből álló rétegrácsa van. A rétegek gyenge van der Waals-erővel kapcsolódnak egymáshoz.

A grafit egyike a legpuhább anyagoknak. Lágy és könnyen hasad, a papíron nyomot hagy. Jól hasítható.

A grafit hexagonális (alfa-grafit) és romboéderes (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.

  • Fullerének és nanocsövek

A fullerének nanométer nagyságrendű molekulák. Legegyszerűbb formájuk a 60 szénatomos gömb alakú "nanofoci", mely öt- és hatszögeket is tartalmaz. Nevüket Buckminster Fullerről kapták.

Nanocsövek
A nanocsövek a grafit egy síkjának "föltekerésével" keletkező csőszerű képződményének, öt-, hat- és hétszögeket is tartalmazhatnak.
Szilárdságuk a gyémántét is meghaladja. Különféle körülmények között alkalmasak hőszigetelésre, félvezetésre vagy szupravezetésre.
A jövő anyagai.
  • Az amorf szén nem rendelkezik kristályos szerkezettel. Porszerű anyag, a faszén és korom fő alkotóeleme.

Felhasználása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Antracit, a legmagasabb széntartalmú szénféle

A szén minden ismert élet alapja, enélkül az élet – ahogy mi ismerjük – nem létezhetne. A gazdaság a szenet főleg mint ásványi szén használja. Elsősorban elektromos energia előállítására a széntüzelésű erőművekben. De nagy mennyiségű szén kell a vasolvasztókban, ahol a szén 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-, illetve csiszolóanyag
  • 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

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

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szenet már nagyon régóta ismerjük, már a középkorban is használták és bányászták.

Szerves vegyületei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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. Kénnel magas hőmérsékleten szén-diszulfidot (szénkéneg) ad. Hidrogénnel szénhidrogéneket képez, amiket az ipar elsősorban állati maradványból képződött energiaforrások (például kőolaj) formájában hasznosít. Oxigénnel és hidrogénnel zsírsavakat, észtereket is alkot. A szén-14 izotópot a Radiokarbonos kormeghatározásban használják. De a szénatomok nemcsak más atomokkal kapcsolódhatnak, hanem korlátlan számban egymással is. Az így létrejövő lánc-vagy gyűrűs szerkezetű molekulák stabilisak. A molekulák stabilitása nem csökken a szénatomszám növekedésével. A nemfémes elemek atomjainak egymással alkotott kötései között a H-H kötés után a C-C kötés kötési energiája a legnagyobb. A szénatom kis mérete és viszonylag nagy elektronegativitása többszörös (kettős, hármas) kötések kialakulását is lehetővé teszi.

A szerves vegyületekben a szénen és hidrogénen kívüli más atomokat heteroatomoknak nevezzük. A heteroatomok beépülhetnek a szénvázba, illetve kapcsolódhatnak a hidrogénatomok helyére. A heteroatomok megváltoztatják a molekula szerkezetét és döntően befolyásolják az adott szerves vegyület tulajdonságait.

Csoportosítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.)

A szén megoszlása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szén megoszlása a világon (2006)[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Föld könnyen kitermelhető kőszén készlete több mint egybillió tonna.[4][5][6]

USA Oroszország Kína India Ausztrália Dél-Afrika Más országok
27% 17% 13% 10% 9% 5% 19%

A szén használata a világon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Föld éves kőszénfelhasználása évente mintegy 5 milliárd tonna.[4][5]

Kína Európa USA India Oroszország Más országok
2006-ban
(millió tonna)
1531 1117 1094 431 251 1016
2005-ben
(millió tonna)
3242 853 1505 736 288 1602

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Current Table of Standard Atomic Weights in Order of Atomic Number. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights – Commission II.I of the International Union of Pure and Applied Chemistry, 2013. (Hozzáférés: 2013. október 13.)
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. Szõkefalvi-Nagy Zoltán; Szabadváry Ferenc: A magyar kémiai szaknyelv kialakulása. A kémia története Magyarországon. Akadémiai Kiadó, 1972. (Hozzáférés: 2010. december 3.)
  4. ^ a b National Geographic Magyarország, 2006.március
  5. ^ a b [1]
  6. [2]

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Szén témájú médiaállományokat.