Karbon
Karbon atau zat arang merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol C dan nomor atom 6 pada b periodik. Sebagai unsur golongan 14 pada tabel periodik, karbon merupakan unsur non-logam dan bervalensi 4 (tetravalen), yang berarti bahwa terdapat empat elektron yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan kovalen. Terdapat tiga macam isotop karbon yang ditemukan secara alami, yakni C dan C yang stabil, dan C yang bersifat radioaktif dengan waktu paruh peluruhannya sekitar 5730 tahun. Karbon merupakan salah satu dari di antara beberapa unsur yang diketahui keberadaannya sejak zaman kuno. Istilah "karbon" berasal dari bahasa Latin "carbo", yang berarti batu bara.
Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal adalah grafit, intan, dan karbon amorf. Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung pada jenis alotropnya. Sebagai contohnya, intan berwarna transparan, manakala grafit berwarna hitam dan kusam. Intan merupakan salah satu materi terkeras di dunia, manakala grafit cukup lunak untuk meninggalkan bekasnya pada kertas. Intan memiliki konduktivitas listik yang sangat rendah, sedangkan grafit adalah konduktor listrik yang sangat baik. Di bawah kondisi normal, intan memiliki konduktivitas termal yang tertinggi di antara materi-materi lain yang diketahui. Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam kondisi normal, tetapi grafit merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di antara alotrop-alotrop lainnya.
Semua alotrop karbon sangat stabil dan memerlukan suhu yang sangat tinggi untuk bereaksi, bahkan dengan oksigen. Keadaan oksidasi karbon yang paling umumnya ditemukan adalah +4, manakala +2 dijumpai pada karbon monoksida dan senyawa kompleks logam transisi lainnya. Sumber karbon anorganik terbesar terdapat pada batu kapur, dolomit, dan karbon dioksida, sedangkan sumber organik terdapat pada batu bara, tanah gambut, minyak bumi, dan klatrat metana. Karbon dapat membentuk lebih banyak senyawa daripada unsur-unsur lainnya, dengan hampir 10 juta senyawa organik murni yang telah dideskripsikan sampai sekarang.
Karbon adalah unsur paling berlimpah ke-15 di kerak Bumi dan ke-4 di alam semesta. Karbon terdapat pada semua jenis makhluk hidup, dan pada manusia, karbon merupakan unsur paling berlimpah kedua (sekitar 18,5%) setelah oksigen. Keberlimpahan karbon ini, bersamaan dengan keanekaragaman senyawa organik dan kemampuannya membentuk polimer membuat karbon sebagai unsur dasar kimiawi kehidupan. Unsur ini adalah unsur yang paling stabil di antara unsur-unsur yang lain, sehingga dijadikan patokan dalam mengukur satuan massa atom.
Karbon memiliki berbagai bentuk alotrop yang berbeda-beda, meliputi intan yang merupakan bahan terkeras di dunia sampai dengan grafit yang merupakan salah satu bahan terlunak. Karbon juga memiliki afinitas untuk berikatan dengan atom kecil lainnya, sehingga dapat membentuk berbagai senyawa dengan atom tersebut. Oleh karenanya, karbon dapat berikatan dengan atom lain (termasuk dengan karbon sendiri) membentuk hampir 10 juta jenis senyawa yang berbeda. Karbon juga memiliki titik lebur dan titik sublimasi yang tertinggi di antara semua unsur kimia. Pada tekanan atmosfer, karbon tidak memiliki titik lebur karena titik tripelnya ada pada 10,8 ± 0,2 MPa dan 4600 ± 300 K, sehingga ia akan menyublim sekitar 3900 K.
Karbon dapat menyublim dalam busur karbon yang memiliki temperatur sekitar 5800 K, sehingga tak peduli dalam bentuk alotrop apapun, karbon akan tetap berbentuk padat pada suhu yang lebih tinggi daripada titik lebur logam tungsten ataupun renium. Walaupun karbon secara termodinamika mudah teroksidasi, karbon lebih sulit teroksidasi daripada senyawa lainnya (seperti besi dan tembaga).
Karbon merupakan unsur dasar segala kehidupan di Bumi. Walaupun terdapat berbagai jenis senyawa yang terbentuk dari karbon, kebanyakan karbon jarang bereaksi di bawah kondisi yang normal. Di bawah temperatur dan tekanan standar, karbon tahan terhadap segala oksidator terkecuali oksidator yang terkuat. Karbon tidak bereaksi dengan asam sulfat, asam klorida, klorin, maupun basa lainnya. Pada temperatur yang tinggi, karbon dapat bereaksi dengan oksigen, menghasilkan oksida karbon oksida dalam suatu reaksi yang mereduksi oksida logam menjadi logam. Reaksi ini bersifat eksotermik dan digunakan dalam industri besi dan baja untuk mengontrol kandungan karbon dalam baja:
Pada temperatur tinggi, karbon yang dicampur dengan logam tertentu akan menghasilkan karbida logam, seperti besi karbida sementit dalam baja, dan tungsten karbida yang digunakan secara luas sebagai abrasif.
Pada tahun 2009, grafena diketahui sebagai material terkuat di dunia yang pernah diujicobakan. Walaupun demikian, proses pemisahan grafena dari grafit masih belum cukup ekonomis untuk digunakan dalam proses industri.
Berbagai alotrop karbon memiliki ciri-ciri yang sangat berlawanan satu sama lainnya:
Isotop karbon adalah inti atom yang memiliki enam proton ditambah beberapa neutron (bervariasi mulai dari 2 sampai 16). Karbon memiliki dua isotop stabil, secara alami terjadi. Isotop karbon-12 (C-12) membentuk 98,93% karbon yang ada di bumi, sementara isotop Karbon-13 (C-13) membentuk sisanya yakni 1,07%. Konsentrasi isotop C-12 lebih meningkat pada material biologi karena reaksi biokimia menyingkirkan isotop C-13. Pada tahun 1961, IUPAC mengadopsi isotop C-12 sebagai dasar dari masa atom. Identifikasi karbon pada percobaan resonansi magnetik nuklir diselesaikan dengan isotop C-13.
Karbon-14 (C-14) adalah radioisotop yang terjadi secara alami yang terjadi dalam jumlah jejak di bumi hingga 1 bagian per triliun (10%), kebanyakan terbatas di atmosfer dan endapan dangkal, terutama pada gambut dan material organik lainya. Isotop ini, meluruhkan 0,158 MeV emisi sinar β. Karena waktu paruh relatifnya 5730 tahun, C hampir tidak ada dalam batuan tua, tetapi tercipta di atmosfer (stratosfer bagian bawah dan troposfer bagian atas) oleh interaksi interaksi nitrogen dengan sinar kosmis. Kelimpahan C di atmosfer dan organisme hidup hampir konstan, tetapi diduga berkurang pada saat organisme itu mati. Prinsip inilah yang digunakan dalam penanggalan radiokarbon, ditemukan pada tahun 1949, yang telah digunakan secara luas untuk menghitung usia material yang mengandung karbon sampai dengan 40.000 tahun usianya.
Ada 15 isotop karbon yang terkenal dan isotop dengan hidup terpendek adalah C yang meluruhkan proton dan peluruhan alfa dan memiliki waktu paruh 1,98739x10 sekon. C yang luarbiasa menunjukan halo nuklir, yang berarti radiusnya cukup besar daripada yang diharapkan jika inti dalam keadaan kepadatan konstan.
Penting sebagai pembangun bahan organik karena sebagian besar bahan kering tanaman terdiri dari bahan organik, diambil tanaman berupa CO.