Hogyan ismered a periódusos rendszert? Az Elemek című sorozatunk a megfigyelhető világegyetem alapvető építőköveit – és az Ön életére gyakorolt jelentőségüket – tárja fel egyenként.
Csillogó és kemény lehet. Lehet puha és pelyhes. Úgy nézhet ki, mint egy focilabda. A szén minden élőlény gerince – és mégis ez okozhatja az általunk ismert földi élet végét. Hogyan állhat egy széndarab és egy csillogó gyémánt ugyanabból az anyagból? Íme nyolc dolog, amit valószínűleg nem tudtál a szénről.
1.
Minden élőlényben benne van, és jó néhány halottban is. “Lehet, hogy a víz az univerzum oldószere” – írja Natalie Angier a tudomány klasszikus bevezetőjében, a Kánonban – “de a szén az élet ragasztószalagja”. A szén nem csak ragasztószalag, de pokolian jó ragasztószalag is. Összeköti az atomokat egymással, embereket, állatokat, növényeket és kőzeteket alkotva. Ha játszadozunk vele, műanyagokat, festékeket és mindenféle vegyi anyagot tudunk belőle előcsalogatni.
2. AZ EGYIK LEGFONTOSABB ELEMÉNY AZ UNIVERZUMBAN.
A periódusos rendszer tetején helyezkedik el, a bór és a nitrogén közé ékelődve. Atomszáma 6, kémiai jele C. Hat proton, hat neutron, hat elektron. A világegyetemben a negyedik leggyakoribb elem a hidrogén, a hélium és az oxigén után, a földkéregben pedig a 15. helyen található. Míg idősebb rokonai, a hidrogén és a hélium feltehetően az ősrobbanás során keletkeztek, a szén feltehetően a szupernóva-robbanásokban felhalmozódott alfa-részecskékből, a szupernóva-nukleoszintézisnek nevezett folyamatból származik.
3. A SZÉNről nevezték el.
Míg az emberek már évezredek óta ismerik a szenet szénként és – égetés után – gyantaként, Antoine Lavoisier volt az, aki 1772-ben kimutatta, hogy valójában egy egyedülálló kémiai egységről van szó. Lavoisier egy olyan műszert használt, amely a Nap sugarait olyan lencsék segítségével fókuszálta, amelyek átmérője körülbelül négy láb volt. A napkemencének nevezett készülékkel egy gyémántot égetett el egy üvegedényben. Az üvegben talált maradékot elemezve ki tudta mutatni, hogy a gyémánt kizárólag szénből áll. Lavoisier először az 1789-ben megjelent Traité Élémentaire de Chimie című tankönyvében tüntette fel elemként. A szén elnevezés a francia charbon, azaz szén szóból származik.
4. SZERET KÖTELEZETTSÉGET SZERETNI.
Négy kötést képes kialakítani, amit sok más elemmel is megtesz, több százezer vegyületet hozva létre, amelyek közül néhányat naponta használunk. (Műanyagok! Gyógyszerek! Benzin!) Ami még fontosabb, hogy ezek a kötések egyszerre erősek és rugalmasak.
5. A TESTÜNK MÉLYEN 20%-a SZÉN.
May Nyman, az oregoni Corvallisban található Oregon State University szervetlen kémia professzora a Mental Flossnak elmondja, hogy a szénnek szinte hihetetlen sokrétűsége van. “Minden életformát alkot, és az általa előállított anyagok, a zsírok, a cukrok számában óriási a változatosság” – mondja. Láncokat és gyűrűket alkot, egy olyan folyamatban, amelyet a kémikusok katenációnak neveznek. Minden élőlény szénből álló gerincre épül (nitrogénnel, hidrogénnel, oxigénnel és más elemekkel). Tehát az állatok, a növények, minden élő sejt és természetesen az ember is a katenáció terméke. A testünk 18,5 tömegszázalékban szénből áll.”
Mégis lehet szervetlen is, mondja Nyman. Oxigénnel és más anyagokkal társulva alkotja az élettelen világ nagy részét, például a kőzeteket és az ásványokat.
6. KÉT ÚJ FORMÁT FEDEZTÜNK FEL CSAK AZ UTOLSÓ IDŐBEN.
A szén négy fő formában fordul elő: grafit, gyémánt, fullerének és grafén. “A szerkezet szabályozza a szén tulajdonságait” – mondja Nyman. A grafit (“az írókő”) lazán összekapcsolt szénlapokból áll, amelyek úgy vannak kialakítva, mint a csirkedrót. Ha valamit ceruzával írunk, az tulajdonképpen nem más, mint grafitrétegek papírra karcolása. A gyémántok ezzel szemben háromdimenziósan kapcsolódnak egymáshoz. Ezeket a kivételesen erős kötéseket csak hatalmas energiával lehet felbontani. Mivel a gyémántnak sok ilyen kötése van, ez teszi a legkeményebb anyaggá a Földön.
A fulleréneket 1985-ben fedezték fel, amikor tudósok egy csoportja lézerrel lőtte a grafitot, és a keletkező széngáz korábban ismeretlen, 60 és 70 atomból álló gömb alakú molekulákká sűrűsödött. Nevüket Buckminster Fuller, a különc feltaláló tiszteletére kapták, aki híres geodéziai kupolákat készített ebből a focilabda-szerű összetételből. Robert Curl, Harold Kroto és Richard Smalley 1996-ban kémiai Nobel-díjat kapott a szén ezen új formájának felfedezéséért.
A széncsalád legfiatalabb tagja a grafén, amelyet 2004-ben Andre Geim és Kostya Novoselov véletlenül talált meg egy rögtönzött kutatói dzsemborin. A tudósok ragasztószalagot használtak – igen, tényleg -, hogy egy atom vastagságú szénlapokat emeljenek ki egy darab grafitból. Az új anyag rendkívül vékony és erős. Az eredmény: a 2010-es fizikai Nobel-díj.
7. A DIAMANTOKAT NEM A MEGJELENÉSÜK MÉRT HÍVJUK “JÉGNEK”.
A gyémántokat azért hívják “jégnek”, mert a hőszállító képességük miatt hűvös tapintásúak – nem pedig a kinézetük miatt. Ez teszi őket ideálissá a mikrochipekben hőelnyelőként való használatra. (Többnyire szintetikus gyémántokat használnak.) Itt is a gyémánt háromdimenziós rácsszerkezete játszik szerepet. A hő rácsrezgéssé alakul át, ami a gyémántok igen nagy hővezető képességéért felelős.
8. SEGÍT a műtárgyak korának meghatározásában – és bizonyítja, hogy némelyik hamis.
Az amerikai tudós, Willard F. Libby 1960-ban kémiai Nobel-díjat kapott azért, mert kidolgozott egy módszert, amellyel a bennük lévő szén egy radioaktív alfajának mennyiségét elemezve datálhatók az ereklyék. A radiokarbon vagy C14 kormeghatározás a szén egy radioaktív formájának, a C14-nek a bomlását méri, amely az élőlényekben felhalmozódik. Ez akár 50 000 éves tárgyak esetében is alkalmazható. A szénmeghatározás segítségével állapították meg Ötzi, a jégember korát, egy 5300 éves holttestét, amelyet az Alpokban találtak megfagyva. Azt is megállapította, hogy a winchesteri katedrálisban található Lancelot kerekasztalát több száz évvel a feltételezett Artúr-kor után készítették.
9. Túl sok belőle megváltoztatja a világunkat.
A szén-dioxid (CO2) fontos része annak a gáznemű takarónak, amely bolygónkat körülöleli, és elég meleggé teszi az élet fenntartásához. A fosszilis tüzelőanyagok elégetése – amelyek szénvázra épülnek – azonban több szén-dioxidot szabadít fel, ami közvetlenül összefügg a globális felmelegedéssel. A szén-dioxid eltávolításának és tárolásának számos módját javasolták már, köztük a szén-dioxid megkötésével és tárolásával járó bioenergiát, amelynek lényege, hogy nagy faállományokat ültetnek, betakarítják és elégetik őket áramtermelés céljából, majd a folyamat során keletkező szén-dioxidot megkötik és a föld alatt tárolják. Egy másik tárgyalt megközelítés az óceánok mesterséges lúgosabbá tétele, hogy azok több CO2-t tudjanak megkötni. Az erdők természetes szén-dioxid-elnyelők, mivel a fák a fotoszintézis során megkötik a CO2-t, de az erdőkben végzett emberi tevékenység ellensúlyozza és felülmúlja a CO2 megkötésének esetleges nyereségét. Röviden, még nincs megoldásunk a légkörben általunk létrehozott C02-túltengésre.