کربن

خواص الکتریکی کربن (رسانا)

کربن به عنوان یک ماده الکتریکی شناخته می‌شود. کربن می‌تواند به شکل‌های مختلفی باشد: یک رسانای خوب به شکل گرافیت، یک‌نیمه‌رسانای خیلی سخت با فاصله زیاد به شکل الماس، یک ابر رسانا هنگامی که با یک جزء مناسب مخلوط شود. به علاوه؛ مواد الکتریکی بر پایه کربن نمونه‌هایی از مواد را عرضه می‌کنند که مجموعهٔ به هم پیوسته‌ای از ابعاد را نشان می‌دهند از فلورن‌ها که نقاط ذره‌ای صفر بعدی هستند، تا نانولوله‌های کربنی که لوله‌های کوانتومی ۱ بعدی هستند، تا گرافیت که ماده غیر همسان لایه‌ای ۲ بعدی است و سرانجام تا الماس، یک‌نیمه‌رسانا با فاصلهٔ عریض ۳ بعدی.

اشکال

کربن به دلایل زیادی قابل توجه‌است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم‌ترین (گرافیت) و یکی از سخت‌ترین (الماس) مواد شناخته شده توسط انسان است. افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازهٔ بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را به‌وجود می‌آورد. این خصوصیات باعث شکل‌گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده‌است. ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می‌سازند و چرخهٔ کربن – نیتروژن قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تأمین می‌کند.

تولید کربن

کربن در اثر مهبانگ (انفجار بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله‌ای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم) دارد. جهان در ابتدا گسترش یافت و چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیرممکن بود. به هر حال، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند، یعنی جایی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه‌گانه آلفا به کربن تبدیل می‌کنند، تولید شد.

کاربردها

کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده‌است و تا آنجا که می‌دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت (به برتر پنداری کربن مراجعه کنید). عمده‌ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها می‌باشد که قابل توجه‌ترین آن‌ها سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است. نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم‌ترین آن‌ها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار می‌رود که از طریق فرایند تقطیر در پالایشگاه‌ها بدست می‌آیند. از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آن‌ها در مجموع پلاستیک نامیده می‌شوند، شکل می‌گیرد.

پیشینه

کربن (واژه لاتین carbo به معنی زغال چوب) در دوران پیشاتاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آن را از سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می‌کردند، آشنا بود. (تولید زغال چوب). مدت طولانی است که الماس به‌عنوان ماده‌ای زیبا و کمیاب به حساب می‌آید. فولرن، آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه ۸۰ به‌عنوان محصولات جانبی آزمایش‌های پرتو مولکولی کشف شدند.

دگرگونه‌ها (آلوتروپ‌ها)

تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده‌است: غیر متبلور، گرافیت، الماس و فولرن.
کربن در نوع غیر بلورین آن اساساً گرافیت است اما به صورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد. این شکل کربن، بیشتر به صورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل زغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل می‌دهد.
در فشار و دمای اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر به صورت حلقه‌های شش وجهی- درست مثل هیدروکربن‌های معطر - به هم متصل شده‌اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آن‌ها در ساختار بلوری آن‌ها است. گرافیت‌های طبیعی شامل بیش از ۳۰٪ نوع بتا هستند در حالی‌که گرافیت‌های مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می‌باشند. نوع آلفا از طریق فرآوری مکانیکی می‌تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز بر اثر دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دوباره به صورت آلفا بر می‌گردد.
گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه‌های آن که اغلب به‌وسیله اتم‌های دیگر تفکیک شده‌اند، تنها به‌وسیلهٔ نیروهای وان در والس به هم چسبیده‌اند به گونه‌ای که به راحتی یکدیگر را کنار می‌زنند.
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد. الماس ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور هم‌الکترون(BN) در کنار هم بوده و سخت‌ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به‌شمار می‌رود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به اندازه‌ای کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت (lonsdalite) متبلور می‌شود که مشابه الماس ولی شش ضلعی است.
فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما به‌جای بخش‌های تماماً شش ضلعی، حاوی پنج ضلعی‌ها (یا احتمالاً هفت ضلعی‌های) اتم‌های کربن نیز می‌باشند که ورقه را به‌شکل کره، بیضی یا استوانه به‌وجود می‌آورند. ویژگی‌هایی از فولرین با نام فولرین باکمینستر (buckminsterfullerene) هم نامیده می‌شوند هنوز به خوبی بررسی نشده‌اند. اینگونه ساختار را به گونهٔ کوتاه شده، گلوله‌های باکی (buckyballs) هم نامیده‌اند. کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینستر فولر (Buckminster Fuller)، توسعه دهندهٔ گنبد میله‌ای است که از ساختار گلوله‌های باکی تقلید کرد.

پیدایش

تقریباً ده میلیون ترکیبات کربنی که برای دانش شناخته شده‌اند وجود دارد که هزاران نوع آن‌ها در فرایندهای حیاتی و واکنش‌های آلی بسیار مهم اقتصادی، ضروری هستند. این عنصر به مقدار فراوان در خورشید، ستارگان، دنباله دارها و نیز در جو بیشتر سیارات یافت می‌شود. بعضی از شهابسنگها حاوی الماس‌های میکروسکپی هستند که در زمانیکه منظومه شمسی هنوز یک دیسک گازی شکل بود شکل گرفته‌اند. کربن به صورت ترکیب با سایر عناصر در جو زمین وجود دارد و در همه گونه آب حل می‌شود. کربن به همراه مقادیر کمتر کلسیم، منیزیم و آهن، عنصر اصلی سازنده جرم زیادی از سنگ کربنات (سنگ آهک، دولمیت، سنگ مرمر و…) است. این عنصر در صورت ترکیب با هیدروژن تولید زغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی می‌کند که آن‌ها را هیدرو کربن می‌نامند.
گرافیت به مقدار فراوان در نیویورک و تکزاس، آمریکا، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت می‌شود.
الماس طبیعی در کیمبرلیت معدنی موجود درچینه‌ها یا ستون‌های سنگ‌های آذرین یافت می‌شوند. بیشترین الماس در آفریقا به ویژه آفریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون وجود دارد. همچنین کانادا، قسمت‌های قطبی روسیه، برزیل و بخش‌های غربی و شرقی استرالیا دارای الماس می‌باشد.

ترکیبات غیر آلی

(به شیمی آلی هم مراجعه کنید)
معروف‌ترین اکسید کربن، دی‌اکسید کربن (CO2) است که به مقدار کمتری در اتمسفر زمین وجود دارد. این اکسید توسط موجودات زنده، و برخی موارد دیگر تولید شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. آب مقدار کمی اسید کربنیک تولید می‌کند اما دی‌اکسید کربن مانند بیشتر ترکیباتی که دارای پیوندهای ساده چندگانه با اکسیژن‌های روی یک کربن هستند، ناپایدار است. به هر حال، از طریق این واسطه، یونهای کربنات با تشدید تثبیت شده، به‌وجود می‌آیند. تعدادی از مواد معدنی مهم، کربنات‌ها هستند که معروف‌ترین آن‌ها کلسیت است. دی سولفید کربن، (۲ CS)، هم مانند آن است.
اکسیدهای دیگر آن، مونوکسید کربن (CO) و زیراکسید (suboxide) نادر C3O۲ هستند. مونوکسید کربن که گازی بی‌رنگ و بی‌بو است به‌وسیله اکسیده شدن ناقص به‌وجود می‌آید. هر یک از این مولکول‌ها دارای یک پیوند سه‌گانه و نسبتاً قطبی هستند که ناشی از تمایل به یک پیوند دائمی با مولکول‌های هموگلوبین می‌باشد به‌طوری‌که این گاز بسیار سمی است. سیانید (CN-) دارای ساختار و رفتاری بسیار شبیه به یون هالید بوده و نیترید سیانوژن (CN2) نیز به آن مربوط است.
کربن با فلزات قوی، کاربید C-، یا استیلید C₂²⁻؛ به‌وجود می‌آورد که با متان و استیلن همراه بوده و هر دوی آن‌ها اسیدهای به‌طور باور نکردنی پائتیک اسید هستند. در کل، کربن با الکترو نگاتیوی ۵/۲ به تشکیل پیوندهای کووالانسی تمایل دارد. تعداد کمی از کاربیدها مثل کربوراندوم و Sic، که شبیه الماس می‌باشند، به صورت شبکه‌های کووالانسی هستند.

زنجیرهٔ کربن

در ساختار اتمی هیدروکربن‌ها، گروهی از اتم‌های کربن (اشباع شده با اتم‌های هیدروژن) تشکیل یک زنجیره می‌دهند. روغن‌های فرار زنجیره‌های کوچک‌تری دارند. چربی‌ها دارای زنجیره‌های بلندتر و پارافین‌ها زنجیره‌هایی بی‌اندازه بلند دارند.

چرخهٔ کربن

فرایند مداوم ترکیب و آزادسازی کربن و اکسیژن که در آن انرژی و حرارت ذخیره و دفع می‌شود را چرخه کربن می‌گویند. فروگشت (کاتابولیسم) + فراگشت (آنابولیسم) = دگرگشت (متابولیسم). (واژه‌ها از فرهنگستان زبان و ادب فارسی). به چرخه کربن مراجعه کنید

ایزوتوپ‌ها

اتحادیه بین‌المللی شیمی کاربردی و محض در سال ۱۹۶۱ ایزوتوپ کربن- ۱۲ را برای اوزان اتمی اتخاذ کرد. کربن- ۱۴ رادیوایزوتوپی است با نیمه عمر ۵۷۱۵ سال و برای تاریخ یابی رادیو کربن چوب، نقاط باستان‌شناسی و نمونه‌ها کاربرد بسیار زیادی دارد.
کربن دارای دو ایزوتوپ پایدار طبیعی می‌باشد: (C-۱۲(۹۸٫۸۹٪ و C-۱۳(۱٫۱۱٪). نسبت این ایزوتوپ‌ها در؟ به نسبت الگوی VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite from the Peedee Formation of South Carolina).
d C-۱۳ در اتمسفر ۷ -؟ است است. هنگام فتوسنتز، کربنی که در بافت گیاه تثبیت می‌شود، به‌طور قابل ملاحظه‌ای به C-۱۳ موجود در جو بستگی دارد.
دو حالت برای توزیع مقادیر dC-۱۳ در گیاهان خشکی وجود دارد که ناشی از تفاوت‌هایی است که گیاهان در واکنش‌های فتوسنتز بکار می‌برند. بیشتر گیاهان خشکی، گیاهان مسیر C۳ هستند و دارای ارزش‌های dC-۱۳ بوده که بین ۲۴- و ۳۴- قرار دارند(؟). دومین گروه از گیاهان (گیاهان مسیر C۴) می‌باشند که ترکیبی از گیاهان آبی، صحرایی، شوراب زار و مرغزارهای استوایی هستند، و دارای ارزش‌های dC-۱۳ بین ۶- و ۱۹- می‌باشند. یک گروه واسطه (گیاهان کم)، متشکل از جلبک و گلسنگ، دارای ارزش‌های dC-۱۳ می‌باشد که بین ۱۲- و ۲۳-؟ هستند. dC-۱۳ گیاهان و موجودات زنده داده‌های سودمندی دربارهٔ مواد مغذی و ارتباطات شبکه غذایی ارائه می‌کند.

هشدارها

ترکیبات کربن گستره وسیعی از آثار سمی دارند. مونوکسید کربن (C O) موجود در اگزوز موتورهای درون‌سوز و سیانید (CN) که گاهی اوقات در آلودگی‌های معدنی وجود دارد برای پستانداران بسیار سمی هستند. بسیاری از ترکیبات دیگر کربن نه تنها سمی نیستند بلکه در واقع برای زیست ضروری می‌باشند. گازهای آلی مثل اتیلن (H2C=CH2) و اتان و (HCCH)، و متان (CH₄) در صورت مخلوط شدن با هوا قابلیت انفجار و اشتعال خطرناکی پیدا می‌کنند.