Karbon

Karbon () ialah sejenis unsur kimia dalam jadual berkala yang mempunyai simbol C dan nombor atom 6. Unsur ini merupakan unsur bukan logam dengan tetravalen yang banyak.
Karbon terdapat dalam kesemua kehidupan karbon dan merupakan asas kimia organik. Bahan bukan logam juga mempunyai ciri kimia menarik iaitu mampu mengikat sesama sendiri dan banyak unsur lain, membentuk hampir 10 juta sebatian yang diketahui. Apabila bergabung dengan oksigen ia membentuk karbon dioksida yang amat penting bagi pertumbuhan pokok. Apabila bergabung dengan hidrogen, ia membentuk pelbagai sebatian dikenali sebagai hidrokarbon yang amat penting bagi pengilangan sebagai bahan api fosil. Apabila bergabung dengan oksigen dan hidrogen ia mampu membentuk kebanyakan kumpulan sebatian termasuk asid lemak, yang penting kepada kehidupan, dan ester, yang memberikan perisa kepada kebanyakan buah-buahan di kerajaan langit. Isotop karbon-14 biasa digunakan dalam penentuan tarikh radioaktif.

 Alotrop 
Karbon mempunyai beberapa bentuk allotropik:

Berlian (galian terkeras diketahui). Struktur: setiap atom terikat secara tetrahedron kepada empat yang lain, membentuk jaringan 3-dimensi atom enam ahli cincin bersegi.
grafit (salah satu bahan terlembut). Struktur: setiap atom terikat tiga segi kepada tiga atom lain, membentuk jaringan 2-dimensi cincin leper enam ahli; helaian leper terikat dengan lemah. Digunakan dalam pensil untuk menandakan kertas.
fulerena. Struktur: molekul besar setanding terbentuk sepenuhnya dari ikatan karbon tiga segi, membentuk (spheroids) (yang paling terkenal dan mudah ialah buckminsterfullerene atau bebola bucky).
ceraphite (permukaan teramat lembut). Struktur tidak dapat dipastikan.
lonsdaleite (herotan berlian). Struktur: menyerupai berlian, tetapi membentuk jaringan kristal hexagonal.
karbon amorf (bahan berkaca). Struktur: gabungan molekul karbon dalam bukan kristal, tidak sekata, bentuk berkaca.
bentuk nano karbon (carbon nanofoam) (jaringan amat ringan bermegnet). Struktur: jaringan berkepadatan rendah menyerupai gugusan grafit, di mana atom bergabung secara tiga segi dalam enam dan tujuh ahli.
tiub nano karbon (tiub halus). Struktur: setiap karbon terikat tiga segi dalam helaian melengkung yang membentuk silinder berlubang.

Jelaga terdiri daripada kawasan grafit kecil. Ia tersebar secara rawak, dengan itu seluruh struktur ialah isotropik.

Kabon berkaca (Glassy carbon) merupakan isotropik dan sebahagian besar mengandungi liang poros. Tidak seperti grafit normal, lapisan grafit tidak diatur seperti laman buku, tetapi tersusun secara rawak.

Gentian karbon menyerupai karbon berkaca. Dengan rawatan khas (menegangkan gentian organik dan pengkarbonan) satah karbon boleh diatur agar sejajar dengan gentian. Dengan itu tiada satah karbon yang berada dalam sudut tepat kepada paksi gentian. Hasilnya ialah gentian dengan kekuatan khusus melebihi besi.

 Sifat 
Alotrop-alotrop karbon termasuk grafit, salah satu zat paling lembut yang diketahui, dan intan, bahan semula jadi yang paling keras. Ia mudah mengikat dengan atom kecil lain termasuk atom seunsur, dan mampu membentuk beberapa ikatan kovalen stabil dengan atom multivalens yang sesuai. Karbon diketahui membentuk hampir sepuluh juta sebatian, yakni sebahagian besar dari semua sebatian kimia yang diketahui. Karbon juga memiliki titik pejalwap tertinggi dari semua unsur. Ia tiada takat cair pada tekanan atmosfera kerana takat pertemuan tiga peringkatnya berada pada suhu  dan , sehingga ia memejalwap pada suhu sekitar . Grafit jauh lebih mudah bertindak balas daripada intan dalam keadaan piawai meskipun termodinamikanya lebih stabil kerana sistem pi yang berselerak jauh lebih terdedah terhadap serangan. Misalnya, grafit dapat dioksidakan oleh asid nitrik pekat panas pada keadaan piawai menjadi asid melitat, C6(CO2H)6 yang mempertahankan unit heksagonal grafit sambil memecah struktur yang lebih besar.Greenwood and Earnshaw, hlm. 289–292.

Karbon memejalwap dalam keluk karbon yang memiliki suhu sekitar 5,800 K (5,530 °C atau 9,980 °F). Oleh itu, karbon yang terlepas dari bentuk alotropnya akan tetap padat pada suhu yang lebih tinggi daripada logam dengan takat lebur tertinggi seperti tungsten atau renium. Meskipun termodinamik karbon rentan terhadap tindakbalas pengoksidaan, karbon menahan kesan oksidaan lebih lengkap daripada unsur-unsur seperti besi dan tembaga, yang merupakan zat pengurang yang lebih lemah pada suhu bilik.

Karbon ialah unsur keenam dalam jadual berkala dengan konfigurasi elektron asas 1s22s22p2, iaitu empat elektron terluarnya valens. Empat tenaga ionian pertamanya, 1086.5, 2352.6, 4620.5 dan 6222,7 kJ/mol, jauh lebih tinggi daripada unsur kumpulan 14 yang lebih berat. Keelektronegatifan karbon adalah 2.5. jauh lebih tinggi daripada unsur golongan 14 yang lebih berat (1.8–1.9), tetapi dekat dengan sebahagian besar unsur bukan logam terdekat, serta beberapa logam peralihan baris kedua dan ketiga. Jejari kovalen karbon biasanya diambil sebagai 77,2 pm (C−C), 66,7 pm (C=C) dan 60.3 pm (C≡C), walaupun nilai ini berbeza-beza bergantung kepada bilangan koordinasi dan pada apa karbon terikat. Secara umum, jari-jari kovalen berkurang dengan bilangan koordinasi yang lebih rendah dan urutan ikatan yang lebih tinggi.Greenwood and Earnshaw, hlm. 276–8.

Sebatian karbon membentuk bahan keperluian semua hidupan yang diketahui di Bumi, dan kitaran gandingannya dengan nitrogen menyediakan sebahagian tenaga yang dihasilkan oleh Matahari dan bintang-bintang lain. Meskipun karbon boleh membentuk berbagai-bagai sebatian yang luar biasa, sebahagian besar bentuk karbon relatifnya tidak bertindak balas dalam keadaan yang biasa atau terkawal lagi-lagi dalam suhu dan tekanan piawai melainkan dengan pengoksida terkuat. Ia tidak bertindak balas dengan asid sulfurik, asid hidroklorik, klorin, atau apapun jenis alkali. Pada suhu tinggi, karbon bertindak balas dengan oksigen untuk membentuk oksida karbon dan akan mengambil oksigen dari oksida logam untuk meninggalkan unsur logam tadi. Tindak balas eksotermik ini digunakan dalam industri besi dan baja untuk melebur besi dan untuk mengontrol kandungan karbon pada keluli:

 + 4 C + 2  → 3 Fe + 4 .

Karbon bertindak balas dengan belerang menghasilkan membentuk karbon disulfida serta bertindak balas dengan wap dalam reaksi gas-batu bara yang digunakan dalam penggasan arang batu:

C + HO → CO + H.

Karbon ditempa dengan beberapa logam pada suhu tinggi untuk membentuk karbida logam, seperti besi karbida (simentit) dalam keluli dan karbida tungsten yang banyak digunakan sebagai bahan pengesat serta ditukang ke dalam alat pemotong untuk hujung yang keras untuk alat pemotong.

 Isotop 
15 buah isotop karbon telah dikenal pasti dengan karbon-8, 8C memiliki separuh hayat terpendek, iaitu 1.98739 x 10−21 saat dan terurai melalui pancaran proton dan pereputan alfa. Terdapat dua buah isotop karbon stabil dan alami yang wujud, yakni karbon-12, 12C yang merangkumi 98.93% karbon di Bumi dan karbon-13, 13C yang memenuhi baki 1.07%.

Karbon-14, 14C ialah radioisotop karbon alami yang terhasil di bahagian atas atmosfera Bumi melalui tindak balas nitrogen dan sinar kosmik, dengan separuh hayat selama 5730 tahun.

 Ciri-ciri jelas 
Karbon merupakan unsur mengagumkan untuk banyak sebab. Bentuk lainnya termasuk salah satu bahan yang paling lembut (grafit) dan yang paling keras (berlian) diketahui manusia. Tambahan lagi, ia mempunyai kecenderungan bagi ikatan kimia dengan atom kecil lain, termasuk atom karbon lain, dan saiz kecilnya membolehkan ia membentuk pelbagai ikatan. Disebabkan ciri-ciri ini, karbon diketahui membentuk hampir sepuluh juta sebatian kimia. Sebatian karbon membentuk asas kepada semua kehidupan di Bumi dan kitaran karbon-nitrogen memberikan sebahagian tenaga yang dihasilkan oleh matahari dan bintang lain.

 Sejarah 
Karbon ditemukan pada masa prasejarah dan dikenal dalam bentuk jelaga dan arang pada peradaban manusia paling awal. Intan mungkin sudah dikenal sejak 2500 SM di tanah besar Cina, sedangkan karbon dalam bentuk arang dibuat sekitar zaman Romawi dengan proses kimia yang sama seperti saat ini, dengan memanaskan kayu dalam sebuah piramida yang dilapisi tanah liat untuk menghilangkan udara.

 Penyelidikan 

Lavoisier pada 1781 menggolongkan arang sebagai "bahan bakar penuh" (substance combustible de entier) mempunyai suatu zat mudah bakar yang menghasilkan karbon dioksida (sebagai substance chrabonneuse, "bahan kearangan"). Pada tahun 1786, saintis-saintis Perancis Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge dan C. A. Vandermonde melakukan ujian pembakaran sampel grafit untuk membuktikan banyak intisarinya dari karbon secara menerapkan oksigen sepertimana yang dilakukan Lavoisier kepada sampel intan. Pembakaran ini meninggalkan sisa surih besi yang dipercayai mereka merupakan bahan sampingan perlu struktur grafit. Makalah mereka mengenai uji kaji ini mengusulkan nama carbone (turunan Latin carbonum "arang") untuk unsur dalam grafit yang dilepaskan dalambentuk gas semasa grafit dibakar berdasarkan penggambaran dibuat Lavoisier. Lavoisier kemudian mencatatkan karbon sebaga suatu unsur dalam buku teksnya tahun 1789.

Sebuah alotrop karbon baru, fulerena, yang ditemukan pada tahun 1985 termasuk bentuk yang berstruktur nano seperti buckyball dan tabung nano. Penemu mereka – Robert Curl, Harold Kroto dan Richard Smalley – menerima Penghargaan Nobel Kimia pada tahun 1996. Ketertarikan baru yang dihasilkan dalam bentuk-bentuk baru mengarah pada penemuan alotrop eksotis lebih lanjut, termasuk karbon kaca, dan kesadaran bahawa "karbon amorf" tidak sepenuhnya amorf.

 Kewujudan 

Kitaran karbon

Jumlah karbon di Bumi yang terhasil efektif malar yakni tidak berubah-ubah. Maka, proses yang menggunakan karbon harus mendapatkannya dari suatu tempat dan membuangnya di tempat lain. Jalur karbon alam sekitar membentuk kitaran karbon.Mannion, hlm. 51–54. Misalnya, tanaman fotosintesis menarik karbon dioksida dari atmosfera (atau air laut) dan membangunnya menjadi biojisim, seperti dalam kitaran Calvin, sebuah proses pengikatan karbon.Mannion, hlm. 84–88. Seberapa biojisim ini dimakan haiwan, sementara seberapa karbon lain dilepaskan sebagai karbon dioksida. Kitaran karbon jauh lebih rumit daripada putaran pendek ini; misalnya, beberapa karbon dioksida terlarut di lautan; jika bakteria tidak menguraikannya, tumbuhan atau hewan yang mati dapat menjadi minyak tanah atau batu arang yang melepaskan karbon ketika dibakar.

Keterjadian

Karbon unsur kimia keempat paling banyak melimpah di alam semesta berdasarkan jisim setelah hidrogen, helium, dan oksigen. Karbon berlimpah di Matahari, bintang, komet, dan di atmosfera pada sebahagian besar planet. Beberapa meteorit mengandung zarah intan seni yang terbentuk ketika Sistem Suria masih dalam rupa piringan protoplanet. Intan mikroskopik juga dapat dibentuk oleh tekanan kuat dan suhu tinggi di lokasi berlakunya hentaman meteorit.

Pada tahun 2014, NASA mengumumkan data asas yang sangat ditingkatkan untuk melacak hidrokarbon aromatik polisiklik (polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH) di alam semesta. Lebih dari 20% karbon di alam semesta mungkin terkait dengan PAH, senyawa kompleks karbon dan hidrogen tanpa oksigen. Senyawa-senyawa ini muncul dalam hipotesis dunia PAH di mana mereka dihipotesiskan memiliki peran dalam abiogenesis dan pembentukan kehidupan. PAH tampaknya telah terbentuk "beberapa bilion tahun" setelah Letupan Dahsyat, tersebar luas seluruh alam semesta, dan dikaitkan dengan bintang baru serta planet luar surya.

Tanah padat secara keseluruhan dikira mengandungi 730 bahagian sejuta karbon, dengan 2000 bsj di teras dan 120 ppm dalam gabungan mantel dan kerak.William F McDonough The composition of the Earth  in  Memandangkan jisim Bumi ditimbang sebenrat , sebanyak 4360 juta gigatan karbon yang dapat dikira, jauh lebih banyak daripada jumlah karbon di lautan atau atmosfera (di bawah).

Dalam kombinasi dengan oksigen dalam karbon dioksida, karbon ditemukan di atmosfera Bumi (sekitar 900 gigatan karbon — setiap ppm sama dengan 2.13 Gt) dan terlarut di semua badan air (sekitar 36.000 gigatan karbon). Karbon biosfera diperkirakan mencapai 550 gigatan tetapi dengan ketidakpastian yang besar, sebahagian besar disebabkan oleh ketidakpastian besar dalam jumlah bakteria bawah permukaan terestrial dalam. Hidrokarbon (seperti batu arang, minyak tanah, dan gas semula jadi) juga mengandung karbon. Cadangan batu arang berjumlah sekitar 900 gigatan dengan kemungkinan 18.000 Gt sumber daya. Cadangan minyak bumi adalah sekitar 150 gigatan. Sumber gas alam yang terbukti adalah sekitar  kubik meter (mengandung sekitar 105 gigatan karbon), tetapi penelitian memperkirakan  kubik meter deposit "tidak konvensional" lainnya seperti gas serpih, mewakili sekitar 540 gigatan karbon."Wonderfuel: Welcome to the age of unconventional gas"  oleh Helen Knight, New Scientist, 12 Jun 2010, hlm. 44–7.

Karbon juga ditemukan dalam metana hidrat di daerah kutub dan di bawah laut. Berbagai perkiraan menempatkan karbon ini antara 500, 2500,Ocean methane stocks 'overstated' , BBC, 17 Februari 2004. atau 3000 Gt."Ice on fire: The next fossil fuel"  oleh Fred Pearce, New Scientist, 27 Jun 2009, hlm. 30–33.

Pada masa lalu, jumlah hidrokarbon lebih besar. Menurut satu sumber, dalam 1751 hingga 2008 sekitar 347 gigatan karbon dilepaskan sebagai karbon dioksida ke atmosfera dari pembakaran bahan bakar fosil.Calculated from file global.1751_2008.csv in  dari Carbon Dioxide Information Analysis Center. Sumber lain menyebutkan jumlah yang ditambahkan ke atmosfera sejak 1750 ialah sebesar 879 Gt, dan total yang masuk ke atmosfer, laut, dan darat (seperti paya gambut) hampir 2,000 Gt.

Karbon adalah bahan utama (sekitar 12% jisim) dari jisim yang sangat besar dari batuan karbonat (batu kapur, dolomit, marmar dan sebagainya). Batu arang sangat kaya dengan karbon (antrasit mengandung 92–98%) dan merupakan sumber komersial terbesar karbon mineral, terhitung 4.000 gigatan atau 80% dari bahan api fosil.

Adapun alotrop karbon individual, grafit ditemukan dalam jumlah besar di Amerika Syarikat (kebanyakan di New York dan Texas), Rusia, Mexico, Greenland, dan India. Intan semula jadi terjadi pada batu kimberlit ditemukan di lohong gunung berapi  kuno. Sebahagian besar deposit intan berada di Afrika, terutama di Afrika Selatan, Namibia, Botswana, Republik Kongo, dan Sierra Leone. Deposit intan juga telah ditemukan di Arkansas, Kanada, Arktik Rusia, Brazil, dan di Australia Utara dan Barat. Intan sekarang juga ditemukan dari dasar laut di Tanjung Harapan. Intan boleh ditemukan secara semula jadi, tetapi sekitar 30% dari semua intan industri yang digunakan di AS sekarang dihasilkan buatan oleh manusia.

Karbon-14 terbentuk di lapisan atas troposfer dan stratosfer pada ketinggian 9–15 km melalui tindak balas yang diendapkan oleh sinar kosmos. Neutron termal dihasilkan dari tabrakan dengan nukleus nitrogen-14, membentuk karbon-14 dan proton. Dengan demikian,  karbon dioksida atmosfera mengandung karbon-14.

Asteroid kaya karbon relatif lebih dominan didapati di pinggiran terluar lingkaran asteroid di Sistem Suria. Asteroid-asteroid ini belum diambil sampelnya secara langsung oleh para saintis. Asteroid dapat digunakan dalam penambangan karbon hipotetis berbasis ruang angkasa, yang mungkin terjadi di masa depan, tetapi saat ini tidak mungkin secara teknologi.

Pembentukan pada bintang

Pembentukan nukleus atom karbon terjadi di dalam bintang raksasa atau super raksasa melalui proses alfa tripel. Proses ini memerlukan kuasa hentaman hampir serentak dari tiga zarah alfa (nukleus helium) kerana produk tindak balas lakuran nuklear lebih lanjut dari helium dengan hidrogen atau nukleus helium lainnya masing-masing menghasilkan litium-5 dan berilium-8 yang sangat tidak stabil dan meluruh kembali hampir semerta menjadi nukleus yang lebih kecil. Proses alfa bertetiga terjadi dalam suhu melebihi 100 megakelvin dan ketumpatan helium yang dilarang oleh pengembangan dan pendinginan cepat alam semesta awal, dan oleh kerana itu tidak ada karbon signifikan yang tercipta selama berlakunya Letupan Besar.

Menurut teori kosmologi fizik saat ini, karbon terbentuk dalam bahagian dalaman bintang pada cabang horizontal. Apabila bintang besar mati sebagai supernova, sisa-sisa karbon tinggalan jasad ini tersebar ke angkasa sebagai debu yang terapungan, ia menjadi bahan komponen untuk pembentukan sistem bintang generasi berikutnya dengan planet-planet yang bertambah termasuk Sistem Suria terletaknya Bumi.

Kitaran CNO adalah tatalakuran hidrogen tambahan yang menggerakkan bintang, di mana karbon berperanan sebagai pemangkin.

Transisi rotasi berbagai bentuk isotop karbon monoksida (misalnya, CO, CO, dan CO) dapat dideteksi dalam rentang panjang gelombang submilimeter, dan digunakan dalam studi pembentukan bintang baru di awan molekul.
 Rujukan 

 Pautan luar 





Kategori:Agen penurun
Kategori:Bukan logam
Kategori:Mineral karbonat
Kategori:Mineral organik
Kategori:Unsur kimia