How big is Atom węgla?

Atom węgla ma sześć elektronów wokół jądra z sześciu protonów i zazwyczaj sześciu neutronów. Mierzony tak samo jak atom wodoru w eksploratorze, czyli jako dwukrotność odległości, w jakiej najprawdopodobniej znajdują się najbardziej zewnętrzne elektrony atomu węgla, ma około 0,13 nanometra średnicy, czyli 130 pikometrów. Nanometr to miliardowa część metra, a pikometr to tysięczna część nanometra.

Rozmiar

Atom nie ma sztywnego kształtu ani rozmiaru, więc można go zdefiniować na kilka sposobów, a każdy z nich daje inną liczbę. Podana tu wartość pochodzi z obliczeń tego, gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony. Dwa z sześciu elektronów węgla pozostają blisko jądra, a pozostałe cztery są dalej, co widać na obrazku w eksploratorze. Te cztery zewnętrzne elektrony najprawdopodobniej znajdują się w odległości około 65 pikometrów od jądra, więc atom ma około 130 pikometrów średnicy.

W przypadku atomów w cząsteczkach chemicy często stosują inną miarę. Promień kowalencyjny to połowa odległości między środkami dwóch atomów połączonych wiązaniem. Dwa atomy węgla połączone wiązaniem pojedynczym są od siebie oddalone średnio o 154 pikometry, więc według tej miary atom węgla ma około 150 pikometrów średnicy.

Promień van der Waalsa mierzy natomiast, jak blisko mogą się do siebie zbliżyć dwa osobne atomy, zanim zaczną się odpychać. Według tej miary atom węgla ma około 340 pikometrów średnicy.

Porównania rozmiarów

Atom węgla jest około 1,2 raza szerszy niż atom wodoru, który według tej samej miary ma 106 pikometrów średnicy.
Podwójna helisa DNA ma około 2 nanometrów szerokości, co odpowiada szerokości około 15 atomów węgla.
Około 600 000–800 000 atomów węgla ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa.
Gdyby atom węgla powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, która ma około 24 centymetrów średnicy, ludzki włos miałby szerokość około 150–185 kilometrów.

Jak łączą się atomy węgla

Atomy węgla mają skłonność do tworzenia czterech wiązań i mogą łączyć się ze sobą w łańcuchy o bardzo różnej długości. Dzięki tej zdolności do tworzenia łańcuchów o różnej długości węgiel jest niezbędny dla życia. Wiązanie podwójne zbliża dwa atomy węgla do siebie bardziej niż wiązanie pojedyncze, do 134 pikometrów, a wiązanie potrójne do 120 pikometrów.

Czysty węgiel występuje w kilku postaciach, między innymi jako diament, grafit i grafen. Diament jest na tyle twardy, że może ciąć skałę, a grafit jest miękki. Grafen to warstwa atomów węgla o grubości zaledwie jednego atomu, połączonych we wzór z sześciokątów, przypominający siatkę kurnikową.

Oglądanie pojedynczych atomów węgla

Pojedyncze atomy węgla są o wiele za małe, by dało się je zobaczyć w mikroskopie świetlnym, ale widziano je w mikroskopach elektronowych. W 2008 roku badacze z amerykańskiego Lawrence Berkeley National Laboratory użyli mikroskopu TEAM 0.5 do wykonania obrazów, na których widać każdy atom węgla w warstwie grafenu. Grafen jest delikatny, więc użyli łagodniejszej wiązki elektronów o niższej energii. Mimo to wiązka pozwalała dostrzec szczegóły oddalone od siebie o 1 angstrem (100 pikometrów).

Ważenie atomów

Węgiel wyznacza też skalę do ważenia atomów. Od 1960 roku węgiel-12, czyli postać węgla z sześcioma neutronami, jest wzorcem mas atomowych. Używana jednostka, dalton, jest zdefiniowana jako jedna dwunasta masy atomu węgla-12. Około 99% węgla na Ziemi to węgiel-12.