Karbon

Karbon er det 15. mest tallrike grunnstoffet i jordskorpen, [ 3 ] og det fjerde mest tallrike grunnstoffet i universet etter masse etter hydrogen , helium og oksygen . Overfloden av karbon, dets unike mangfold av organiske forbindelser og dets uvanlige evne til å danne polymerer ved temperaturer som vanligvis finnes på jorden , gjør at dette elementet kan tjene som en felles komponent i alt kjent liv . Det er det nest mest tallrike elementet i menneskekroppen etter masse (omtrent 18,5%) etter oksygen. [ 4 ]

Karbonatomer kan binde seg på forskjellige måter, kalt allotroper av karbon , som gjenspeiler dannelsesforholdene. De mest kjente naturlig forekommende er grafitt , diamant og amorft karbon . [ 5 ] De fysiske egenskapene til karbon varierer mye med den allotrope formen. For eksempel er grafitt ugjennomsiktig og svart, mens diamant er svært gjennomsiktig . Grafitt er mykt nok til å danne en ripe på papiret (derav navnet, fra det greske verbet "γράφειν" som betyr "å skrive"), mens diamant er det hardeste naturmaterialet som er kjent. Grafitt er en god elektrisk leder mens diamant har dårlig elektrisk ledningsevne . Under normale forhold har diamant, karbon nanorør og grafen den høyeste varmeledningsevnen av alle kjente materialer. Alle allotroper av karbon er faste under normale forhold, med grafitt som den termodynamisk stabile formen . De er kjemisk motstandsdyktige og krever høye temperaturer for å reagere selv med oksygen.

Den vanligste oksidasjonstilstanden til karbon i uorganiske forbindelser er +4, mens +2 finnes i karbonmonoksid og i overgangsmetallkarbonylkomplekser . De største kildene til uorganisk karbon er kalksteiner , dolomitter og karbondioksid , men betydelige mengder forekommer i organiske forekomster av kull , torv , olje og metanklatrater . Karbon danner et stort antall forbindelser, mer enn noe annet grunnstoff, med nesten ti millioner forbindelser beskrevet til dags dato [ 6 ] (med 500 000 nye forbindelser per år), men dette tallet er bare en brøkdel av antallet forbindelser som er teoretisk mulig under standard forhold. Av denne grunn har karbon ofte blitt beskrevet som "kongen av elementene." [ 7 ]

Forbrenning av karbon i alle dens former har vært grunnlaget for teknologisk utvikling siden forhistorisk tid. Karbonbaserte materialer har applikasjoner i en rekke banebrytende teknologiske områder: komposittmaterialer , litium-ion-batterier , luft- og vannrensing , elektroder for lysbueovner , i aluminiumsyntese , etc.

Funksjoner

Karbon er et grunnstoff som er bemerkelsesverdig av flere grunner. Dens allotropiske former inkluderer et av de mykeste stoffene (grafitt) og et av de hardeste (diamant), og fra et økonomisk synspunkt er det et av de billigste materialene (karbon) og et av de dyreste (diamant). Videre har den en høy affinitet til kjemisk binding med andre små atomer, inkludert andre karbonatomer som den kan danne lange kjeder med, og dens lille atomradius gjør at den kan danne flere bindinger. Med oksygen danner den altså karbondioksid , avgjørende for plantevekst (se karbonsyklus ); med hydrogen danner det en rekke forbindelser generisk kalt hydrokarboner , essensielle for industri og transport i form av fossilt brensel ; og kombinert med oksygen og hydrogen, danner det et stort utvalg av forbindelser som for eksempel fettsyrer som er livsnødvendige, og estere som gir fruktsmak; det er også en vektor, gjennom karbon-nitrogen-syklusen , av en del av energien som produseres av solen. [ 8 ]

Allotropiske tilstander

Fem allotropiske former for karbon er kjent, i tillegg til amorf: grafitt , diamant , fulleren , grafen og karbyn . [ 9 ]

En av formene som karbon finnes i er grafitt, karakterisert ved å ha sine atomer "ved hjørnene av sekskanter som linjer et plan", [ 10 ] det er svart, ugjennomsiktig og mykt, og er materialet som innsiden av tre blyanter er laget av. Grafitt har nøyaktig de samme atomene som diamant, men fordi de er ordnet på forskjellige måter har de forskjellige fysiske og kjemiske egenskaper. Naturlige diamanter dannes på steder hvor karbon har vært utsatt for stort trykk og høye temperaturer. Strukturen er tetraedrisk, noe som resulterer i et tredimensjonalt nettverk, og i motsetning til grafitt har den en høy hardhetsgrad: 10 Mohs. Diamanter kan lages kunstig ved å utsette grafitt for svært høye temperaturer og trykk. Prisen på grafitt er lavere enn for naturlige diamanter, men hvis de er riktig bearbeidet har de samme hardhet, farge og gjennomsiktighet.

Den amorfe formen er i hovedsak grafitt, men klarer ikke å anta en makroskopisk krystallinsk struktur. Dette er formen som finnes i de fleste karboner og i sot.

Ved normalt trykk tar karbon form av grafitt , der hvert atom er bundet til tre andre i et plan som består av sekskantede celler; denne tilstanden kan beskrives som tre valenselektroner i plane sp² hybridorbitaler og den fjerde i p -orbitalen .

De to kjente formene for grafitt alfa (sekskantet) og beta (rhomboedral) har identiske fysiske egenskaper. Naturlig grafitt inneholder mer enn 30 % av betaformen, mens syntetisk grafitt kun inneholder alfaformen. Alfaformen kan omdannes til beta på mekanisk måte, og denne omkrystalliseres til alfaformen ved oppvarming over 1000 °C .

På grunn av delokaliseringen av elektronene fra pi-orbitalen , er grafitt en leder av elektrisitet, en egenskap som tillater bruk i gnisterosjonsprosesser . Materialet er mykt og de forskjellige lagene, ofte adskilt av interkalerte atomer, er knyttet sammen av Van de Waals-bindinger , og er relativt enkle for noen å gli i forhold til andre, noe som gjør det nyttig som smøremiddel .

Ved svært høye trykk antar karbon diamantformen , der hvert atom er bundet til fire andre karbonatomer, de 4 elektronene er i sp³-orbitaler, som i hydrokarboner. Diamant har samme kubiske struktur som silisium og germanium , og takket være styrken til den kjemiske karbon-karbonbindingen er den, sammen med bornitrid , det hardeste kjente stoffet . Overgangen til grafitt ved romtemperatur er så langsom at den ikke kan oppdages. Under visse forhold krystalliserer karbon som lonsdaleite , en form som ligner på diamant, men sekskantet.

Sp 1 -hybridorbitalen som danner kovalente bindinger er bare av interesse i kjemi , og manifesterer seg i noen forbindelser, for eksempel acetylen .

Fullerener ble oppdaget for 15 år siden [ 10 ] De har en struktur som ligner på grafitt, men den sekskantede pakningen er kombinert med femkanter (og i visse tilfeller heptagoner), som krummer planene og tillater utseendet til sfæriske strukturer , ellipsoidale eller sylindriske . Den som består av 60 karbonatomer, som har en tredimensjonal struktur og geometri som ligner på en fotball, er spesielt stabil. Fullerener generelt, og C60 - derivater spesielt, har vært gjenstand for intens kjemisk forskning siden de ble oppdaget på midten av 1980-tallet.

Karbonnanorør tilhører også denne familien , som kan beskrives som grafittlag rullet opp i en sylindrisk form og toppet i endene av halvkuler (fulerener), og som utgjør et av de første industrielle produktene innen nanoteknologi .

Applikasjoner

Den viktigste industrielle bruken av karbon er som en komponent av hydrokarboner, spesielt fossilt brensel ( olje og naturgass ). Fra først av er bensin , parafin og oljer oppnådd ved destillasjon i raffinerier , og er også råstoffet som brukes til å fremstille plast . Den andre er å etablere seg som en energikilde på grunn av dens renere forbrenning. Andre bruksområder er:

Den radioaktive isotopen karbon-14 , oppdaget 27. februar 1940 , brukes i radiometrisk datering .
Grafitt er kombinert med leire for å lage blyanter . Det brukes også som tilsetning i smøremidler. Antiradarmalingene som brukes i kamuflasje av militære kjøretøyer og fly er også basert på grafitt, og blander andre kjemiske forbindelser mellom lagene. Den er svart og myk. Atomene er fordelt i parallelle lag vidt adskilt fra hverandre. Den dannes under mindre trykk enn diamant. Selv om det kan virke vanskelig å tro, har en diamant og en blyant den samme kjemiske sammensetningen: karbon.
Diamanten er gjennomsiktig og veldig hard. I sin dannelse er hvert karbonatom tett bundet til fire andre atomer. De oppstår med høye temperaturer og trykk inne i jorden. Den brukes til konstruksjon av smykker og som et skjæremateriale, og drar nytte av hardheten.
Som det viktigste legeringselementet i stål .
I atomreaktorbeskyttelsesstaver .
Kulltabletter brukes i medisin for å absorbere giftstoffer fra fordøyelsessystemet og som et middel mot flatulens .
Aktivt kull brukes i vannfiltrerings- og rensesystemer.
Amorft karbon (" sot ") tilsettes gummien for å forbedre dens mekaniske egenskaper. Det brukes også til dannelse av elektroder (f.eks . batterier ). Oppnådd ved sublimering av grafitt, er det en kilde til fullerener som kan ekstraheres med organiske løsemidler.
Fullerener brukes i medisin, et vannløselig derivat av C60 har vist seg å hemme de humane immunsviktvirusene HIV-1 og HIV-2. [ 10 ]
Karbonfiber (vanligvis oppnådd ved termolyse av polyakrylatfibre) tilsettes polyesterharpikser på grunn av sin høye motstand, og oppnår materialer kalt karbonfibre , som brukes til å produsere tennisracketer.
Karbonfiber brukes også til konstruksjon av high-end sykler, for å oppnå lavere vekt, større motstand og bedre geometri.
De kjemiske og strukturelle egenskapene til fullerener , i form av nanorør , lover fremtidig bruk i det nye feltet av nanoteknologi.

Historikk

Kull (fra latin carbo-ōnis , " kull ") ble oppdaget i forhistorien og var allerede kjent i antikken, da det ble produsert ved ufullstendig forbrenning av organiske materialer. De siste kjente allotropene, fullerenene (C 60 ), ble oppdaget som et biprodukt av eksperimenter med molekylære gasser på 1980- tallet . De ligner en fotball, og det er derfor de i daglig tale kalles futbolenos.

Newton , i 1704, ante at diamant kunne være drivstoff, men det var ikke mulig å brenne en diamant før i 1772, da Lavoisier viste at CO 2 ble produsert i forbrenningsreaksjonen .

Diamant ble vist å være rent karbon av Tennant i 1797. Den vanligste isotopen av karbon er 12 C; i 1961 ble denne isotopen valgt for å erstatte oksygen-16 isotopen som grunnlag for atomvekter, og den ble tildelt en atomvekt på 12.

De første karbonforbindelsene ble identifisert i levende stoffer på begynnelsen av 1800- tallet , og derfor ble studiet av karbonforbindelser kalt organisk kjemi.

Overflod og innhenting

Karbon ble ikke skapt under Big Bang fordi det ville ha krevd trippelkollisjon av alfapartikler ( helium atomkjerner ) og universet ekspanderte og avkjølte seg for raskt til at sannsynligheten for at det skulle være betydelig. Der denne prosessen skjer er inne i stjernene (i RH -fasen (horisontal gren) ) hvor dette elementet er rikelig, og det finnes også i andre himmellegemer som kometer og i atmosfæren til planetene. Noen meteoritter inneholder mikroskopiske diamanter som ble dannet da solsystemet fortsatt var en protoplanetarisk skive .

I kombinasjon med andre grunnstoffer finnes karbon i jordens atmosfære og oppløst i vann, og sammen med mindre mengder kalsium , magnesium og jern danner det enorme steinmasser ( kalkstein , dolomitt , marmor , etc).

Grafitt finnes i store mengder i Russland , USA , Mexico , Grønland og India .

Naturlige diamanter er assosiert med vulkanske bergarter ( kimberlitt og lamproite ). De største diamantforekomstene er i Afrika ( Sør-Afrika , Namibia , Botswana , Republikken Kongo og Sierra Leone ). [ 11 ] Det er også viktige forekomster i Canada , Russland , Brasil og Australia . [ referanse nødvendig ]

Uorganiske forbindelser

Det viktigste karbonoksidet er karbondioksid (CO 2 ), en mindre komponent av jordens atmosfære (i størrelsesorden 0,04 vekt%) produsert og brukt av levende vesener (se karbonkretsløpet ). I vann danner den spor av karbonsyre (H 2 CO 3 ) — boblene i mange brus — men, som andre lignende forbindelser, er den ustabil, selv om stabile karbonationer kan produseres gjennom den ved resonans . Noen viktige mineraler , som kalsitt , er karbonater.

De andre oksidene er karbonmonoksid (CO) og det sjeldnere karbonsuboksidet (C 3 O 2 ). Monoksid dannes ved ufullstendig forbrenning av organiske materialer og er farge- og luktfri. Siden CO-molekylet inneholder en trippelbinding, er det veldig polart, så det viser en sterk tendens til å binde seg til hemoglobin , og danner en ny, veldig farlig forbindelse kalt karboksyhemoglobin, som hindrer det fra oksygen, som er grunnen til at det sies å være et kvelningsmiddel . substitusjon. Cyanidionet (CN − ) , har en lignende struktur og oppfører seg som halogenidioner .

Med metaller danner karbon både karbider og acetylider , som begge er svært sure . Til tross for høy elektronegativitet , kan karbon danne kovalente karbider som silisiumkarbid (SiC) hvis egenskaper ligner diamant .

Se også: Organisk kjemi

I 1961 vedtok IUPAC isotopen 12C som grunnlag for atommassen til kjemiske elementer.
Karbon -14 er en radioisotop med en halveringstid på 5730 år som brukes mye i datering av organiske prøver.
De naturlige og stabile isotoper av karbon er 12 C (98,89 %) og 13 C (1,11 %). Forholdet mellom disse isotopene i et levende vesen uttrykkes i variasjon (±‰) i forhold til VPDB-referansen ( Vienna Pee Dee Belemnite , Cretaceous belemnites fossils , i South Carolina ). δC-13 av CO 2 i jordens atmosfære er −7‰. Karbonet festet ved fotosyntese i plantevev er betydelig dårligere i 13 C enn CO 2 i atmosfæren.
De fleste planter har δC-13-verdier mellom −24 og −34‰. Andre vannplanter, ørkenplanter, saltmyrplanter og tropiske urter har δC-13-verdier mellom -6 og -19‰ på grunn av forskjeller i fotosyntesereaksjonen. En tredje mellomgruppe bestående av alger og lav har verdier mellom -12 og -23‰. Den komparative studien av δC-13-verdier i planter og organismer kan gi verdifull informasjon om næringskjeden til levende vesener.

Forholdsregler

Karbonforbindelser har et bredt spekter av toksisitet . Karbonmonoksid , som finnes i avgasser fra forbrenningsmotorer, og cyanid (CN) er ekstremt giftige for pattedyr, inkludert mennesker. De organiske gassene eten , etyn og metan er eksplosive og brennbare i nærvær av luft. Tvert imot, mange andre forbindelser er ikke giftige, men livsnødvendige.

Rent karbon har ekstremt lav toksisitet for mennesker og kan trygt håndteres og til og med inntas i form av grafitt eller trekull . Den er motstandsdyktig mot oppløsning og kjemisk angrep, selv i det forsurede innholdet i fordøyelseskanalen . Dette betyr at når det kommer inn i kroppens vev, vil det mest sannsynlig forbli der på ubestemt tid. Carbon black var sannsynligvis det første pigmentet som ble brukt til tatovering og Ötzi the Iceman ble funnet å ha karbon-tatoveringer som overlevde i løpet av hans levetid og 5200 år etter hans død. [ 12 ] Imidlertid kan innånding av store mengder kullstøv eller sot (kullsvart) være farlig, irritere lungevev og forårsake en sykdom kjent som kullgruvearbeidernes pneumokoniose . På samme måte kan diamantstøv brukt som slipemiddel være skadelig hvis det svelges eller inhaleres. Karbonmikropartikler produsert av eksosgasser fra dieselmotorer kan også samle seg i lungene ved innånding. [ 13 ] I disse eksemplene kan de skadelige effektene skyldes forurensning av karbonpartiklene med organiske kjemikalier eller tungmetaller i stedet for fra selve karbonet.

Karbon har generelt lav toksisitet for nesten alt liv på jorden , men for noen skapninger er det giftig - for eksempel er karbonnanopartikler dødelige giftstoffer for Drosophila . [ 14 ]

Også karbon kan brenne kraftig og briljant i nærvær av luft med høy temperatur, som i tilfellet med Windscale Fire , som ble forårsaket av den plutselige frigjøringen av lagret Wigner-energi i grafittkjernen. Store ansamlinger av kull, som har vært inert i hundrevis av millioner av år i fravær av oksygen , kan spontant antennes når det utsettes for luft, som i kullgruveavgang .

Det store utvalget av karbonforbindelser kan inkludere dødelige giftstoffer som tetradotoksin , lektinet ricin oppnådd fra frøene til ricinusbønnen ( Ricinus communis ), cyanid (CN− ) og karbonmonoksidforgiftning .

Se også

Referanser

^ "Karbons historie" . Arkivert fra originalen 1. november 2012 . Hentet 10. januar 2013 .
^ Se den engelske Wikipedia-artikkelen "Overflod av elementer i jordskorpen", som viser estimater fra forskjellige forfattere.
^ "Biologisk overflod av elementer" . The Internet Encyclopedia of Science . Hentet 9. oktober 2008 .
^ "World of Carbon - Interactive Nano-visulization in Science & Engineering Education (IN-VSEE)" . Arkivert fra originalen 5. oktober 2008 . Hentet 9. oktober 2008 .
↑ Chemistry Operations (15. desember 2003). «Kull» . Los Alamos nasjonale laboratorium. Arkivert fra originalen 13. september 2008 . Hentet 9. oktober 2008 .
↑ Deming, Anna (2010). «Kongen av elementene?» . Nanoteknologi 21 . doi : 10.1088/0957-4484/21/30/300201 . Hentet 15. november 2016 .
↑ Karbon. Galileo
^ "Ekstern lenke til carbynes" .
↑ abc Gasque , Laura . Elementet med flere personligheter .
↑ "Karbon" .
↑ Dorfer, Leopold; Moser, M; Spindler, K; Bahr, F; Egarter-Vigl, E; Dohr, G (1998). "5200 år gammel akupunktur i Sentral-Europa?". Science 282 (5387): 242-243. Bibcode : 1998Sci...282..239D . PMID 9841386 . doi : 10.1126/science.282.5387.239f .
↑ Donaldson, K; Stein, V; Clouter, A; Renwick, L; MacNee, W (2001). «Ultrafine partikler» . Arbeids- og miljømedisin 58 (3): 211-216. PMC 1740105 . PMID 11171936 . doi : 10.1136/oem.58.3.211 .
↑ Karbonnanopartikler som er giftige for voksne fruktfluer, men godartede for unge ScienceDaily (17. august 2009)

Eksterne lenker

Wikimedia Commons er vert for et mediegalleri på Carbon .
Wikiquote har kjente fraser fra eller om Carbon .
Wiktionary har definisjoner og annen informasjon om karbon .
WebElements.com - Karbon
EnvironmentalChemistry.com - Karbon
Det er elementært - karbon
National Institute of Safety and Hygiene at Work of Spain Internasjonalt sikkerhetsblad for kjemisk karbon.
Referansekjemien - Karbon