كربون

التاريخ وأصل التسمية

اشتقّ لفظ كربون carbon من اللفظ اللاتيني carbo والذي يعني الفحم، في حين أنّ اللفظ الفرنسي charbon يعني الفحم النباتي. بالمقابل فإنّه في اللغة الألمانية يسمّى Kohlenstoff، والتي تعني مادّة الفحم.
يعدّ الكربون أحد أقدم العناصر اكتشافاً، وكان معروفاً على شكل سناج أو على شكل فحم نباتي بالنسبة للحضارات الأولى للبشريّة، ويعتقد أنّ الصينيّون كانوا أوّل من عرف الكربون على شكل ألماس، وذلك حوالي 2500 سنة قبل الميلاد.
في سنة 1722، أظهر رينيه أنطوان فيرشو دي ريومور أنّه يمكن تحويل الحديد إلى فولاذ من خلال امتصاص مادّة، لم يعرف حينها أنّها الكربون، وفي سنة 1772، بيّن أنطوان لافوازييه أنّ الألماس هو شكل من أشكال الكربون؛ وذلك عندما قام بحرق عيّنات من الفحم النباتي والألماس، وأظهر أنّها لا تنتج بذلك أيّ ماء، وأنّ المادّتين تطلقان نفس الكميّة من ثنائي أكسيد الكربون لكلّ غرام. وفي سنة 1779، أظهر كارل فلهلم شيله أنّ الغرافيت، والذي كان يُظنّ أنّه شكل من أشكال الرصاص، ما هو إلّا أحد أشكال الكربون، وأنّه مماثل للفحم النباتي. في سنة 1786، أكّد كلّ من العلماء كلود لوي برتوليه وغاسبار مونج، بالإضافة إلى فاندرمون، أنّ غالبيّة الغرافيت هي عبارة عن كربون، وذلك عن طريق إجراء عمليّة أكسدة له في وسط من الأكسجين، وذلك بأسلوب مماثل لما قام به لافوازييه على الألماس. وبنشرهم للتجربة قاموا باقتراح اسم الكربون (الاسم اللاتيني carbonum) وذلك للعنصر المكوّن للغرافيت، والذي قام لافوازييه لاحقاً بإدراجه ضمن العناصر الكيميائيّة في نصٍّ نشره سنة 1789.
في القرن العشرين، أضيف متآصل جديد للكربون في سنة 1985 باكتشاف الفوليرين، وذلك على عدّة أشكال من ضمنها بنى نانويّة مثل بوكمينستر فوليرين والأنابيب النانويّة الكربونيّة. حصل المكتشفون روبرت كيرل وهارولد كروتو وريتشارد سمولي على جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1996 نتيجة ذلك الاكتشاف. أدّى تطوّر الأبحاث في الفترة الأخيرة إلى ظهور أشكال جديدة من الكربون مثل الكربون الزجاجي، وإلى اكتشاف حقيقة أن الكربون اللابلّوري، ليس لابلّورياً بالشكل التام.

غلاف الأرض الحيوي

يعدّ الكربون عنصراً أساسياً من أجل استمرار الحياة في غلاف الأرض الحيوي. يقدّر أن الغلاف الصخري للأرض يحوي 2000 جزء في المليون ppm من الكربون في نواة الأرض، وحوالي 120 ppm من الكربون في الغلاف الخارجي وفي القشرة الأرضيّة. ممّا يعني أنّ هناك حوالي 4360 مليون غيغاطن من الكربون في غلاف الأرض الصخري، وذلك يتضمّن وجود الكربون على صيغة الهيدروكربونات، والتي تعدّ الأساس الكيميائي في الفحم والنفط والغاز الطبيعي. تقدّر احتياطات الفحم بحوالي 900 غيغاطن، في حين أنّ احتياطيات النفط هي حوالي 150 غيغاطن. هناك مصادر غير تقليدية مثل غاز الأردواز، والتي تقدّر احتياطاته عالميّاً بحوالي 540 غيغاطن من الكربون. بالإضافة إلى ما ذكر، فإنّ الكربون يوجد بكمّيّات كبيرة على شكل صخور الكربونات مثل الحجر الجيري والدولوميت والرخام وغيرها.
يوجد الكربون متّحداً مع الأكسجين على شكل ثنائي أكسيد الكربون الغازي في غلاف الأرض الجوّي (حوالي 810 غيغاطن من الكربون)، وبشكل منحلّ في مياه المحيطات (حوالي 36 ألف غيغاطن من الكربون). كما يوجد على شكل هيدرات الميثان في أعماق البحار وفي المناطق القطبيّة، وتتفاوت تقديرات كمية الكربون فيها من 500 إلى 2500 غيغاطن، وتصل إلى 3000 غيغاطن.
يعدّ الغرافيت أكثر متآصلات الكربون انتشاراً، حيث يوجد بكمّيّات كبيرة في الهند والمكسيك وغرينلاند وروسيا والولايات المتحدة الأمريكيّة. في حين أنّ الألماس يوجد بكثرة في أفريقيا، وخاصة في دول مثل جنوب أفريقيا وناميبيا وبوتسوانا وجمهورية الكونغو وسيراليون.

الغرافيت

توجد هناك ترسّبات طبيعيّة حيويّة من الغرافيت في عدّة مناطق من العالم، ولكنّ أهمّها من الناحية الاقتصاديّة هي الخامات الموجودة في الصين والهند والبرازيل وكوريا الشماليّة. إنّ ترسّبات الغرافيت هي ذات أصل متحوّل وتوجد بشكل مترافق مع معادن الكوارتز والميكا والفلدسبار في صخور الشيست والنايس بالإضافة إلى الحجر الرملي المتحوّل والحجر الجيري، وذلك على شكل عدسات أو عروق قد تصل سماكتها أحياناً إلى متر واحد أو أكثر. من السهل تعدين الكمّيّات الكبيرة الواضحة من الغرافيت، في حين أنّ الكمّيّات الأصغر من ترسّبات الغرافيت يستحصل عليها من سحق الصخر الأمّ الحاوي على الترسّبات، ومن ثمّ بإجراء عمليّة تعويم للغرافيت، والذي يتميّز بخفّته فيطفو على السطح.
هناك ثلاثة أنواع من الغرافيت الطبيعي، إمّا أن يكون لابلّورياً، أو على شكل قطع قشريّة متبلورة، أو على شكل كتل أو عروق متجمّعة. إنّ الغرافيت اللابلّوري هو أقلّها من حيث السعر والجودة، وهو ينتشر في الصين وأغلب أوروبا وفي المكسيك والولايات المتحدة الأمريكية. أمّا قطع الغرافيت القشريّة المتبلورة فهي أقلّ انتشاراً، ولكنّها ذات جودة أعلى من الغرافيت اللابلّوري، وبالتالي فإنّ سعرها يصل إلى حوالي أربعة أضعاف سعر الغرافيت اللابلّوري. تنتشر القطع القشريّة من الغرافيت في النمسا وألمانيا والبرازيل وكندا ومدغشقر. بالمقابل، فإنّ أفضل أنواع الغرافيت هو الذي يأتي على شكل كتل أو عروق متجمّعة، وهو يتوفر تجارياً في سريلانكا.
حسب بيانات الماسح الجيولوجي الأمريكي، كان الإنتاج العالمي من الغرافيت الطبيعي سنة 2010 حوالي 1.1 مليون طن، وكانت حصّة الصين من هذا الإنتاج حوالي 800 ألف طن، مقابل 130 ألف طن للهند، و 76 ألف طن للبرازيل، و 30 ألف لكوريا الشماليّة، و 25 ألف طن لكندا.

الألماس

إنّ تعدين الألماس من خامته يقوم على استخدام جزء صغير من الخامة الفعليّة، حيث أنّ الخامة تسحق بشكل يتمّ فيه الانتباه إلى عدم تحطيم الألماسات الكبيرة، بحيث أن الجسيمات تفصل في النهاية وتصنّف حسب الكثافة. في الوقت الراهن، تجري عمليّة تحديد مكان وجود الألماسات في القسم الغنيّ من الخامة باستخدام تقنيّة فلورية الأشعة السينية، وبعد ذلك تتمّ خطوات الفصل النهاية بأسلوب يدوي. في الماضي، وقبل استخدام تقنيّة الأشعة السينيّة، كانت عملية الفصل تتمّ باستخدام أحزمة مدهونة بالشحم، حيث أنّ للألماس قابليّة للالتصاق بالشحم أكبر من غيره من المعادن الأخرى الموجودة في الخامة.
تاريخيّاً كان يعتقد بوجود الألماس في ترسبات الطمي في جنوب الهند فقط. على أساس ذلك، كانت الهند إحدى الدول الرائدة في إنتاج الألماس، وذلك من وقت اكتشافه حوالي القرن التاسع قبل الميلاد، وحتّى أواسط القرن التاسع عشر. بعد ذلك انخفض الإنتاج، وظهرت دول أخرى منتجة مثل البرازيل، والتي كانت أول منتج للألماس غير الهند، وذلك سنة 1725.
بدأ إنتاج الألماس من المعادن الأساسيّة مثل الكمبرليت واللامبرويت لأول مرة في سنوات عقد 1870، وذلك بعد اكتشاف حقول الألماس في جنوب أفريقيا. زاد الإنناج مع مرور الوقت، حيث يقدّر أنّه منذ ذلك الحين فقد استخرج بشكل تراكمي إجمالي حوالي 4.5 مليار قيراط. إنّ حوالي 20% من تلك الكمّيّة المستخرجة كانت في السنوات الخمسة بين (2002 - 2007)، وبين سنتي 1997 و 2007 بدأت تسعة مناجم جديدة عملها في إنتاج الألماس وذلك في كل من كندا وزيمبابوي وأنغولا وروسيا.
يستحصل على الألماس في الولايات المتحدة الأمريكيّة في ولايات أركنساس وكولورادو ومونتانا، بالمقابل، فإنّ أكثر مكامن الألماس أهميّة من الناحية الاقتصاديّة هي في روسيا وأستراليا وبوتسوانا وجمهورية الكونغو الديمقراطية.

النظائر

للكربون نظيرين مستقرّين ومتوفّرين طبيعيّاً، وهما كربون-12 ¹²C وكربون-13 ¹³C. يشكّل الكربون-12 ما مقداره 98.93% من الوفرة الطبيعيّة للكربون على الأرض، في حين أنّ الكربون-13 يشكّل نسبة 1.07% المتبقيّة. يزداد تركيز ¹²C في المواد الحيويّة لأنّ التفاعلات الكيميائيّة الحيويّة لها تمييز للكربون-12 على حساب الكربون-13. قام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) سنة 1961 باعتماد النظير كربون-12 كأساس للكتلة الذريّة، بالتالي فإنّ وحدة الكتل الذريّة تعادل 1/12 من كتلة النظير ¹²C. يستخدم النظير ¹³C في تجارب الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من أجل تعيين الارتباط في ذرات الكربون في المركّبات العضويّة.
هناك نظير مشع متوفّر طبيعياً للكربون، وهو كربون-14 ¹⁴C، والذي يوجد في كمّيّات نزرة على سطح الأرض بتراكيز تصل إلى جزء في التريليون (10^12)، أي ما يعادل (0.0000000001%)، وذلك في الغلاف الجوي للأرض أو في الترسّبات السطحيّة، خاصة في الخثّ والمواد العضويّة الأخرى. يبلغ عمر النصف لهذا النظير المشع 5730 سنة، وهو يضمحلّ على النمط بيتّا ⁻β بطاقة مقدارها 0.158 ميغا إلكترون فولت. بسبب قصر العمر النسبي للاضمحلال الإشعاعي للكربون-14، فهو من حيث الافتراض غير موجود في الصخور ذات العمر السحيق، ولكنّه في المقابل يتشكّل في طبقات الجوّ العليا (التي هي دون الستراتوسفير وفوق التروبوسفير)، وذلك من التأثير المتبادل (التآثر) بين النتروجين والأشعّة الكونيّة. إنّ نسبة الكربون-14 في الجوّ والكائنات الحيّة هي تقريباً ثابتة، ولكنّها تتناقص بعد وفاتها وطمرها في التراب. في هذه الحالة، يستفاد من معرفة الفرق في نسبة الكربون-14 في مجال تقدير عمر الأجسام الكربونيّة التي لها أعمار حوالي 40 ألف سنة، باستخدام تقنية التأريخ بالكربون المشعّ.
هناك 15 نظيراً معروفاً للكربون، أقصرها عمراً هو للنظير كربون-8، والذي يضمحلّ من خلال إصدار بروتوني واضمحلال ألفا، حيث أنّ عمر النصف له يبلغ 1.98739x10⁻²¹ ثانية. يكون للنظير الغريب كربون-19 ¹⁹C نواة من النمط هالو.

دورة الكربون

إنّ كمّيّة الكربون الموجودة على سطح الأرض هي كمّيّة ثابتة، إذ أنّه في الشروط الأرضية الطبيعيّة يكون من النادر حدوث عمليّة تحوّل عنصر كيميائي إلى آخر. بالتالي، فإنّ العمليّات التي تستهلك الكربون تقوم بالحصول على هذا العنصر من مصدر، ثم تقوم بطرحه إلى مصدر آخر، وهذا ما يعرف باسم دورة الكربون. على سبيل المثال، تقوم النباتات بسحب الكربون على شكل ثنائي أكسيد الكربون من الغلاف الجوّي المحيط بها، وتقوم بعملية تثبيت الكربون على شكل كتلة حيوية. في مرحلة لاحقة تقوم الحيوانات بالتغذّي على تلك الكتلة الحيويّة، بحيث أنّ بعض الكربون يخرج مرة أخرى إلى الغلاف الجوّي على شكل CO₂ في هواء الزفير في دورة كربون قصيرة، في حين أنّ البعض الآخر يطرح من الجسم وقد يمتزج مع المخلّفات الباقيّة من الكتلة الحيويّة ويتحول إلى فحم أو نفط في دورة كربون طويلة.

الاستخدامات

إنّ استخدامات الكربون متنوّعة وذلك على اختلاف الأشكال المتوفّرة من المتآصلات كالغرافيت أو الألماس أو غيرها. تعدّ مركّبات الكربون العضويّة أكثر المركّبات دخولاً في أشكال الحياة اليوميّة من النواحي الحيويّة والتطبيقيّة، كما أنّ لمركّبات الكربون اللاعضويّة مثل الكربيدات تطبيقات صناعيّة مهمّة.
يستخدم الغرافيت مع الغضار في تركيب لبّ أقلام الرصاص المستخدمة في الكتابة والرسم، كما يستخدم الغرافيت كمزلّق وكخضاب وفي صناعة الزجاج. من التطبيقات المهمّة أيضاً للغرافيت دخوله في تركيب الأقطاب الكهربائيّة المستخدمة في البطاريّات الجافّة، كما أنه له العديد من التطبيقات الكهربائيّة في مجال الطلي الكهربائي وفي تركيب المحركّات الكهربائيّة. من التطبيقات الأخرى للغرافيت استخدامه كمهدّئ للنيوترونات في المفاعلات النوويّة.
يستخدم الفحم النباتي كمادّة للرسم في بعض الأعمال الفنيّة، بالإضافة إلى استخدامه من أجل تحضير المأكولات المشويّة. أمّا الألماس فيستخدم كمادّة للزينة كأحد المجوهرات، بالإضافة إلى استخدام الألماس الصناعي في تركيب مواد القطع في التجهيزات الهندسيّة. تستخدم ألياف الكربون من أجل تدعيم اللدائن كما هو الحال في البوليمرات المدعّمة بألياف الكربون أو من أجل صناعة المواد المؤلَّفة، والتي لها خواص نوعيّة بشكل أفضل من الفولاذ.
يستخدم أسود الكربون كخضاب أسود في تركيب أحبار الطباعة والألوان الزيتيّة أو المائيّة، وفي تركيب ورق الكربون والحبر الهندي وكمادّة طباعة في خراطيش الطابعات الليزريّة، كما يستخدم أيضاً كمادة مالئة وملوّنة للمنتجات البلاستيكيّة وللمطّاط الصناعي المستخدم في صناعة الإطارات. أمّا الفحم المنشّط فيستخدم كمادة امتزاز في تركيب المرشّحات المستخدمة في تطبيقات عدة مثل أقنعة الغاز وتنقية المياه. يستخدم الفحم المنشّط أيضاً في المجال الطبّي، وذلك من أجل امتصاص الذيفانات والسموم أو الغازات من جهاز الهضم.
يستخدم الفحم كوقود وكمادّة مهمّة في الصناعات الكيميائية حيث يستعمل كمادة مختزلة في تعدين الفلزّات، فعلى على سبيل المثال، يعدّ فحم الكوك أحد المكوّنات الأساسيّة في الفرن العالي من أجل تعدين الحديد وللحصول على الصلب الكربوني.

احتياطات الأمان

ليس للكربون النقي أيّ تأثير سلبي على جسم الإنسان على الإطلاق، إذ أنّ له تأثير سمي منخفض جدّاً ويمكن اعتباره آمناً حيث يمكن على سبيل المثال تناول أقراص الفحم أو الغرافيت من أجل العلاج الطبّي في حالات سوء الهضم.
على الرغم من ذلك، فإنّ استنشاق أسود الكربون على شكل سناج بكمّيّات كبيرة يمكن أن يكون خطراً، بحيث يقوم بتهييج أنسجة الرنتين، ويسبب سحار عمال الفحم. وبشكل مشابه فإنّ غبار الألماس الناتج من العدد الصناعيّة يمكن أن يسبّب الأذى في حال الابتلاع أو الاستنشاق. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ الجسيمات المكروئيّة من الكربون والناتجة عن عوادم السيارات والآليّات العاملة على الديزل، يمكن لها أن تتجمّع في الرئتين، وينتج عن ذلك أمراض رئويّة مختلفة.
بالنسبة للكائنات الأخرى، فإنّ الكربون له المقدار نفسه من السمّيّة المنخفضة، ولكن بالنسبة لبعض الكائنات يمكن أن يكون ساماً. على سبيل المثال، وجد أن الجسيمات النانويّة من الكربون يمكن أن تكون مميتة لنوع من ذباب الفاكهة Drosophila.
يمكن للكربون أن يشتعل ويتوهّج بوجود أكسجين الهواء عند درجات حرارة مرتفعة. إنّ التجمّعات الكبيرة من الفحم، والتي بقيت خاملة لسنوات طويلة بسبب عدم وجود الأكسجين، يمكن أن يحصل لها احتراق ذاتي عند التعرّض للهواء فجأة، كما يحدث في أكوام نفايات مناجم الفحم.