คาร์บอน ธาตุที่มีมากกว่าส่วนประกอบของแก๊สในสถานะแก๊ส
พวกเราอาจจะคุ้นเคยกับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หรือ แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ที่ปล่อยออกมาโดยกระบวนการสันดาปภายในของเครื่องยนต์ หรือจากร่างกายเราเอง นั่นคือธาตุคาร์บอนที่มีสถานะเป็นแก๊ส
ธาตุคาร์บอนเป็นธาตุในหมู่ที่ 4 ของตารางธาตุร่วมสมัยของดมิททรี อิวานาวิช เมนเดียเลเยฟ และเนื่องจากมันอยู่ในหมูที่ 4 นี้เอง มันจึงมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดของการจัดเรียงอิเล็กตรอนหรือที่เราเรียกว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมด 4 ตัว (เช่นเดียวกับ Si = ซิลิกอน = Кремний อ่านว่า
เครียมนีย) โดยในสถานะของแข็ง อะตอมของคาร์บอนจะยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโควาเลนต์
ธาตุคาร์บอน
เมื่อพิจารณาแผนภาพสถานะ (phase diagram) ของคาร์บอนพบว่าในสถานะของแข็งของคาร์บอนมีรูปแบบที่ต่างกัน (ภาษาอังกฤษเรียกว่า allotrope) อยู่ 2 แบบคือ เพชร (diamond) และแกรไฟต์ (graphite)
แผนภาพสถานะของคาร์บอน
อธิบายเสริมสำหรับแผนภาพสถานะ: แผนภาพสถานะเป็นแผนภาพที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิ สเกลเคลวิน ของสสารชนิดใดๆในสภาวะสมดุลหนึ่งๆ ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง จะสังเกตได้ว่าสถานะของ
แข็งของสสารใดๆจะมีสมบัติเฉพาะตัวคือความดันสูงและอุณหภูมิต่ำ ส่วนในสถานะของเหลวและแก๊สจะมีอุณหภูมิสูงกว่าโดยมีสิ่งที่แตกต่างกันคือความดันนั่นเอง ที่ความดันต่ำกว่า (แต่ก็ไม่ได้ต่ำมาก) สสารนั้นจะมีสถานะเป็นแก๊ส (แก๊สนี้เป็นแก๊สจริง เพราะถ้าเป็นแก๊สอุดมคติความดันจะต่ำมากๆ กล่าวคือ ประมาณ 2-3 atm)
ณ จุดที่มีความดันและอุณหภูมิหนึ่งค่าที่ทำให้สสารนั้นๆเป็นได้ทั้งสถานะของแข็ง ของเหลวและแก๊ส เราจะเรียกจุดนี้ว่า “จุดวิกฤต” หรือ “จุดร่วม 3 เฟส” โดยสำหรับแกรไฟต์จะมีจุดวิกฤตที่ความดันประมาณ 500 atm และ
อุณหภูมิประมาณ 3900 เคลวิน เป็นต้น
สำหรับผลึกเพชร พวกเราทราบกันดีอยู่แล้วว่าเป็นผลึกของแข็งที่มีความแข็งที่สุดในโลก เมื่อนำมาเจียระไนก็จะได้อัญมณีที่สาวๆชอบนั่นเองค่ะ และสำหรับแกรไฟต์แล้วที่เราพบเห็นได้ในชีวิตประจำวันก็คือ ไส้ดินสอ แกรไฟต์เป็นผลึกของแข็งที่มีความอ่อนที่สุด แต่กระนั้น แกรไฟต์ก็มีความมหัศจรรย์ในเชิงนวัตกรรมเพราะแผ่นแกรไฟต์ถูกนำมาสกัดให้เกิดเป็นวัสดุนวัตกรรมใหม่ที่เป็นวัตถุสองมิติ (2D material) ที่ยังคงมีโครงสร้างแลททิซเป็นแบบ
เฮกซะโกนอล (Hexagonal lattice) เช่นเดียวกับแกรไฟต์ ซึ่งก็คือ “กราฟีน (graphene)” นั่นเอง
โครงสร้างแลททิซของกราฟีน
เสริมสำหรับกราฟีน: ในปี 2004 ได้มีการนำเสนอสมบัติทางฟิสิกส์พิเศษของกราฟีน โดย 2 นักฟิสิกส์ที่เป็นชาวรัสเซียโดยกำเนิด (แต่ปัจจุบันทั้งสองท่านทำงานที่ประเทศอังกฤษ) คือ Андрей Константинович Гейм =
อันเดรยย์ คานสตาติ๊นาหวิช กาล์ม และลูกศิษย์ของเค้า Константин Сергеевич Новоселов = คานสตาติน ซีรเกเยวิช นาวาซโยลาฟ การค้นพบอันยิ่งใหญ่นี้ทำให้ทั้งสองท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.
2010
สมบัติทางฟิสิกส์ของกราฟีน ยกตัวอย่าง เช่น สมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมเทียบเท่าทองแดง มีสภาพนำความร้อนที่ดี รวมถึงมีความโปร่งแสงและมีความแข็งแรงไม่เปราะหักง่าย คุณสมบัติพิเศษของกราฟีนนี้เองถูกนำมาใช้
เป็นส่วนประกอบของจอเซนเซอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลาย หรือแม้แต่โซลาร์เซลล์เป็นต้น
นอกจากนี้ธาตุคาร์บอนเป็นหนึ่งในธาตุหลักโดยสัดส่วนมวล ที่เป็นส่วนประกอบของจักรวาล เช่นเดียวกับ ธาตุไฮโดรเจน ธาตุออกซิเจนและธาตุฮีเลียม รวมถึงไอโซโทปของมัน (ทวนสักนิด: ไอโซโทปชองธาตุใดธาตุหนึ่งคือ
กลุ่มของธาตุที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น โปรเทียม, H-1 ดิวเทอเรียม H-2 และ ตริเตียม H-3 เป็นต้น) ไอโซโทปของคาร์บอนคือ C-12, C-13 และ C-14 โดยที่ C-14 มีประโยชน์ในการหาอายุของสัตว์หรือซากฟอสซิลของสิ่งที่เคยมีชีวิตนั่นเอง
ส่วนสถานะแก๊สของคาร์บอน เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าจนเกิดการคายประจุแบบกระตุ้นอย่างต่อเนื่องแล้ว จะได้ผลลัพธ์เป็นเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง (mid IR) โดยเลเซอร์ชนิดนี้เป็นเลเซอร์ที่มีกำลังเปล่งแสงสูง สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในงานอุตสาหกรรมการตัดแผ่นโลหะได้
Carbon dioxide laser
จะเห็นได้ว่าคาร์บอนเป็นธาตุในธรรมชาติที่ในแต่ละสถานะของมันมีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันของเราตั้งแต่โบราณกาลจนกระทั่งปัจจุบันและจะอยู่กับเราต่อไปไม่สิ้นสุดค่ะ
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
