How big is Атом вуглецю?
130 皮米!
Атом вуглецю має шість електронів навколо ядра із шести протонів і, як правило, шести нейтронів. Його розмір визначають так само, як і розмір атома водню на цьому сайті: як подвоєну відстань, на якій найімовірніше знайти найзовнішні електрони. За такого вимірювання атом вуглецю має в поперечнику близько 0,13 нанометра, або 130 пікометрів. Нанометр — це мільярдна частка метра, а пікометр — тисячна частка нанометра.
Розмір
Атом не має чіткої форми чи розміру, тому його можна визначити кількома способами, і кожен дає інше число. Наведена тут величина ґрунтується на розрахунках того, де електрони найімовірніше перебувають. Два із шести електронів вуглецю тримаються поблизу ядра, а інші чотири розташовані далі, як видно на зображенні на цьому сайті. Ці чотири зовнішні електрони найімовірніше перебувають приблизно за 65 пікометрів від ядра, тож атом має в поперечнику близько 130 пікометрів.
Для атомів у молекулах хіміки часто використовують інший спосіб вимірювання. Ковалентний радіус — це половина відстані між центрами двох зв’язаних атомів. Два атоми вуглецю, з’єднані одинарним зв’язком, розташовані в середньому на відстані 154 пікометрів один від одного, тож за таким вимірюванням атом вуглецю має в поперечнику близько 150 пікометрів.
Ван-дер-Ваальсів радіус натомість показує, наскільки близько можуть підійти один до одного два окремі атоми, перш ніж почнуть відштовхуватися. За таким вимірюванням атом вуглецю має в поперечнику близько 340 пікометрів.
Порівняння розмірів
- Атом вуглецю приблизно в 1,2 раза ширший за атом водню, діаметр якого за такого самого вимірювання становить 106 пікометрів.
- Подвійна спіраль ДНК завширшки близько 2 нанометрів — це приблизно 15 атомів вуглецю в поперечнику.
- Близько 600 000–800 000 атомів вуглецю, розташованих бік о бік, перекрили б ширину людської волосини.
- Якби атом вуглецю збільшили до розміру баскетбольного м’яча діаметром близько 24 сантиметрів, людська волосина була б завширшки приблизно 150–185 кілометрів.
Як атоми вуглецю з’єднуються між собою
Атоми вуглецю зазвичай утворюють чотири зв’язки і можуть сполучатися між собою в ланцюги найрізноманітнішої довжини. Саме здатність утворювати ланцюги різної довжини робить вуглець необхідним для життя. Подвійний зв’язок зближує два атоми вуглецю сильніше, ніж одинарний, — до 134 пікометрів, а потрійний — до 120 пікометрів.
Чистий вуглець існує в кількох формах, зокрема як алмаз, графіт і графен. Алмаз досить твердий, щоб різати камінь, а графіт м’який. Графен — це лист із атомів вуглецю завтовшки лише в один атом, з’єднаних у візерунок із шестикутників, як у дротяній сітці для курника.
Спостереження за окремими атомами вуглецю
Окремі атоми вуглецю надто малі для світлового мікроскопа, але їх бачили за допомогою електронних мікроскопів. У 2008 році дослідники з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі скористалися мікроскопом TEAM 0.5, щоб отримати зображення, на яких видно кожен атом вуглецю в листі графену. Графен крихкий, тому вони використали м’якший пучок електронів із меншою енергією, який усе одно розрізнив деталі, розташовані на відстані 1 ангстрема (100 пікометрів) одна від одної.
Зважування атомів
Вуглець також задає шкалу для зважування атомів. З 1960 року вуглець-12, тобто форма вуглецю з шістьма нейтронами, править за еталон для атомних мас. Одиницю, яку при цьому використовують, — дальтон — визначають як одну дванадцяту маси атома вуглецю-12. Близько 99 % вуглецю на Землі — це вуглець-12.
Джерела
- Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
- Carbon: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
- Carbon. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
- Electronic Structure of Atoms (Electron Configurations). In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- Strengths of Ionic and Covalent Bonds. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- Hydrocarbons. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- DNA Structure and Sequencing. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
- Closest Look Ever at Graphene: Stunning Images of Individual Carbon Atoms From TEAM 0.5 Microscope. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2008.
- The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- Atomic Weight of Carbon. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- The International System of Units (SI). 9th edition, version 4.01. BIPM, 2026.
- Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.