কার্বন

কার্বন বা অঙ্গারক (ল্যাটিন ভাষায়ঃ কার্বো "কয়লা")(রাসায়নিক সংকেত C, পারমাণবিক সংখ্যা ৬) একটি মৌলিক পদার্থ। এটি একটি অধাতু এবং যদি চারটি মুক্ত ইলেক্ট্রন পায় তবে যা টেট্রাভেলেন্ট বৈশিষ্ট্যের কারণে চারটি সমযোজী রাসায়নিক বন্ধন গঠন করতে সক্ষম। পর্যায় সারণীতে এর অবস্থান গ্রুপ ১৪তে ও এটি একটি পি-ব্লক মৌল এবং C ও C প্রকৃতিতে এটি দুইটি আইসোটোপ স্থায়ী রুপে মুক্ত অবস্থায় পাওয়া যায়। কিন্তু অস্থায়ী C শুধুমাত্র রেডিওনিক্লিড রুপে পাওয়া যায়। এটি ক্ষয়িষ্ণু হওয়ায়, যার অর্ধায়ু (হাফ-লাইফ) প্রায় ৫,৭৩০ বছর। এটি পৃথিবীর জীবজগতের প্রধান গাঠনিক ও প্রাচীনতম মৌল উপাদানগুলির অন্যতম।
ভূত্বকের প্রাচুর্যতার দিক দিয়ে এটি ১৫তম অবস্থানে রয়েছে, কিন্তু ভরের দিক দিয়ে বিবেচনা করলে হাইড্রোজেন, হিলিয়াম, এবং অক্সিজেন-এর পরে চতুর্থতম এর স্থান।
কার্বনের অ্যালোট্রপগুলির মধ্যে রয়েছে গ্রাফাইট, যা সবচেয়ে নরম পরিচিত পদার্থগুলির মধ্যে একটি এবং হীরা, প্রাকৃতিকভাবে ঘটতে থাকা সবচেয়ে কঠিন পদার্থ। এটি অন্যান্য কার্বন পরমাণু সহ অন্যান্য ছোট পরমাণুর সাথে সহজেই বন্ধন করে এবং উপযুক্ত মাল্টিভ্যালেন্ট পরমাণুর সাথে একাধিক স্থিতিশীল সমযোজী বন্ধন গঠন করতে সক্ষম। সমস্ত রাসায়নিক যৌগের বৃহৎ সংখ্যাগরিষ্ঠ অংশে কার্বন একটি উপাদান উপাদান, যার প্রায় দুইশ মিলিয়ন উদাহরণ প্রকাশিত রাসায়নিক সাহিত্যে বর্ণিত হয়েছে। কার্বনের সমস্ত উপাদানের সর্বোচ্চ পরমানন্দ বিন্দু রয়েছে। বায়ুমণ্ডলীয় চাপে এর কোনো গলনাঙ্ক নেই, কারণ এর ট্রিপল পয়েন্ট 10.8 ± 0.2 মেগাপাস্কাল (106.6 ± 2.0 atm; 1,566 ± 29 psi) এবং 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300, 4,330 ± 300, 4,2 °C; °ফা) তাই এটি প্রায় 3,900 K (3,630 °C; 6,560 °F) এ উচুতে থাকে। গ্রাফাইট স্ট্যান্ডার্ড অবস্থায় হীরার চেয়ে অনেক বেশি প্রতিক্রিয়াশীল, তাপগতিগতভাবে স্থিতিশীল হওয়া সত্ত্বেও, কারণ এর ডিলোকালাইজড পাই সিস্টেম আক্রমণের জন্য অনেক বেশি ঝুঁকিপূর্ণ। উদাহরণস্বরূপ, গ্রাফাইটকে প্রমিত অবস্থায় গরম ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড দ্বারা মেলিটিক অ্যাসিড, C6(CO2H)6-তে অক্সিডাইজ করা যেতে পারে, যা বৃহত্তর কাঠামো ভেঙে গ্রাফাইটের ষড়ভুজ একককে সংরক্ষণ করে।
একটি কার্বন চাপে কার্বন উৎকৃষ্ট, যার তাপমাত্রা প্রায় 5800 K (5,530 °C বা 9,980 °F)। সুতরাং, এর অ্যালোট্রপিক ফর্ম নির্বিশেষে, কার্বন উচ্চ তাপমাত্রায় টংস্টেন বা রেনিয়ামের মতো সর্বোচ্চ গলনাঙ্কের ধাতুর তুলনায় শক্ত থাকে। যদিও তাপগতিগতভাবে অক্সিডেশন প্রবণ, কার্বন লোহা এবং তামার মতো উপাদানগুলির তুলনায় আরো কার্যকরভাবে জারণ প্রতিরোধ করে, যা ঘরের তাপমাত্রায় দুর্বল হ্রাসকারী উপাদান।
কার্বন হল ষষ্ঠ মৌল, যার একটি গ্রাউন্ড-স্টেট ইলেক্ট্রন কনফিগারেশন 1s22s22p2, যার মধ্যে চারটি বাইরের ইলেকট্রন হল ভ্যালেন্স ইলেকট্রন। এর প্রথম চারটি আয়নিকরণ শক্তি, 1086.5, 2352.6, 4620.5 এবং 6222.7 kJ/mol, ভারী গ্রুপ-14 উপাদানগুলির তুলনায় অনেক বেশি। কার্বনের বৈদ্যুতিক ঋণাত্মকতা 2.5, ভারী গ্রুপ-14 উপাদানের (1.8-1.9) তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, কিন্তু কাছাকাছি অধিকাংশ অধাতুর কাছাকাছি, সেইসাথে দ্বিতীয় এবং তৃতীয়-সারির কিছু রূপান্তর ধাতুর কাছাকাছি। কার্বনের সমযোজী ব্যাসার্ধকে সাধারণত 77.2 pm (C−C), 66.7 pm (C=C) এবং 60.3 pm (C≡C) হিসাবে নেওয়া হয়, যদিও এইগুলি সমন্বয় সংখ্যা এবং কার্বন কিসের সাথে বন্ধন করা হয়েছে তার উপর নির্ভর করে পরিবর্তিত হতে পারে। সাধারণভাবে, সমযোজী ব্যাসার্ধ কম সমন্বয় সংখ্যা এবং উচ্চ বন্ড অর্ডারের সাথে হ্রাস পায়।
কার্বন-ভিত্তিক যৌগগুলি পৃথিবীর সমস্ত পরিচিত জীবনের ভিত্তি তৈরি করে, এবং কার্বন-নাইট্রোজেন-অক্সিজেন চক্র সূর্য দ্বারা উত্পাদিত শক্তির একটি ছোট অংশ এবং বৃহত্তর নক্ষত্রে (যেমন সিরিয়াস) শক্তির বেশিরভাগই প্রদান করে। যদিও এটি একটি অসাধারণ বৈচিত্র্যময় যৌগ গঠন করে, তবে কার্বনের বেশিরভাগ রূপই স্বাভাবিক অবস্থায় তুলনামূলকভাবে অপ্রতিক্রিয়াশীল। স্ট্যান্ডার্ড তাপমাত্রা এবং চাপে, এটি শক্তিশালী অক্সিডাইজার ছাড়া সব প্রতিরোধ করে। এটি সালফিউরিক অ্যাসিড, হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিড, ক্লোরিন বা কোনো ক্ষার সঙ্গে বিক্রিয়া করে না। উচ্চ তাপমাত্রায়, কার্বন অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে কার্বন অক্সাইড তৈরি করে এবং মৌলিক ধাতু ছেড়ে মেটাল অক্সাইড থেকে অক্সিজেন কেড়ে নেবে। এই এক্সোথার্মিক প্রতিক্রিয়া লোহা এবং ইস্পাত শিল্পে লোহা গলানোর জন্য এবং ইস্পাতের কার্বন সামগ্রী নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহৃত হয়:
FeO + 4 C + 2 O → 3 Fe + 4 CO.
কার্বন সালফারের সাথে বিক্রিয়া করে কার্বন ডাইসালফাইড তৈরি করে এবং কয়লা গ্যাসীকরণে ব্যবহৃত কয়লা-গ্যাস বিক্রিয়ায় এটি বাষ্পের সাথে বিক্রিয়া করে:
C + HO → CO + H.
কার্বন উচ্চ তাপমাত্রায় কিছু ধাতুর সাথে একত্রিত হয়ে ধাতব কার্বাইড তৈরি করে, যেমন ইস্পাত এবং টাংস্টেন কার্বাইডের আয়রন কার্বাইড সিমেন্টাইট, ব্যাপকভাবে ঘষিয়া তুলিয়া ফেলিতে সক্ষম এবং কাটার সরঞ্জামগুলির জন্য শক্ত টিপস তৈরির জন্য ব্যবহৃত হয়।
অ্যালোট্রপস
পারমাণবিক কার্বন একটি খুব স্বল্পস্থায়ী প্রজাতি এবং তাই, অ্যালোট্রোপস নামক বিভিন্ন আণবিক কনফিগারেশন সহ বিভিন্ন বহু-পারমাণবিক কাঠামোতে কার্বন স্থিতিশীল হয়। কার্বনের তিনটি অপেক্ষাকৃত সুপরিচিত অ্যালোট্রপ হল নিরাকার কার্বন, গ্রাফাইট এবং হীরা। একবার বহিরাগত হিসাবে বিবেচিত, ফুলেরিনগুলি আজকাল সাধারণত সংশ্লেষিত হয় এবং গবেষণায় ব্যবহৃত হয়; তারা বকিবল, কার্বন ন্যানোটিউব, কার্বন ন্যানোবাডস এবং ন্যানোফাইবার অন্তর্ভুক্ত করে। অন্যান্য বেশ কিছু বহিরাগত অ্যালোট্রপও আবিষ্কৃত হয়েছে, যেমন লন্সডেলাইট, গ্লাসি কার্বন,্ কার্বন ন্যানোফোম এবং লিনিয়ার অ্যাসিটাইলেনিক কার্বন (কারবাইন)।
গ্রাফিন হল কার্বনের একটি দ্বি-মাত্রিক শীট যার পরমাণুগুলি একটি ষড়ভুজ জালিতে সাজানো থাকে। 2009 সালের হিসাবে, গ্রাফিনকে পরীক্ষিত সবচেয়ে শক্তিশালী উপাদান বলে মনে হয়। গ্রাফাইট থেকে এটিকে আলাদা করার প্রক্রিয়ার জন্য আরও কিছু প্রযুক্তিগত উন্নয়ন প্রয়োজন হবে আগে এটি শিল্প প্রক্রিয়ার জন্য লাভজনক হয়। সফল হলে, গ্রাফিন একটি স্পেস লিফট নির্মাণে ব্যবহার করা যেতে পারে। এটি গাড়িতে হাইড্রোজেন ভিত্তিক ইঞ্জিনে ব্যবহারের জন্য হাইড্রোজেনকে নিরাপদে সংরক্ষণ করতেও ব্যবহার করা যেতে পারে।
গ্লাসযুক্ত কার্বনের একটি বড় নমুনা
নিরাকার ফর্ম হল একটি অ-স্ফটিক, অনিয়মিত, গ্লাসযুক্ত অবস্থায় কার্বন পরমাণুর একটি ভাণ্ডার, যা একটি স্ফটিক ম্যাক্রোস্ট্রাকচারে রাখা হয় না। এটি একটি পাউডার হিসাবে উপস্থিত, এবং কাঠকয়লা, ল্যাম্পব্ল্যাক (কাঁচ) এবং সক্রিয় কার্বনের মতো পদার্থের প্রধান উপাদান। স্বাভাবিক চাপে, কার্বন গ্রাফাইটের রূপ নেয়, যেখানে প্রতিটি পরমাণু সুগন্ধযুক্ত হাইড্রোকার্বনের মতোই ফিউজড হেক্সাগোনাল রিং দিয়ে গঠিত একটি সমতলে ত্রিকোণভাবে অন্য তিনটির সাথে সংযুক্ত থাকে। ফলস্বরূপ নেটওয়ার্কটি 2-মাত্রিক, এবং ফলস্বরূপ ফ্ল্যাট শীটগুলি স্ট্যাক করা হয় এবং দুর্বল ভ্যান ডের ওয়ালস বাহিনীর মাধ্যমে আলগাভাবে বন্ধন করা হয়। এটি গ্রাফাইটকে এর স্নিগ্ধতা এবং এর ক্লিভিং বৈশিষ্ট্য দেয় (শীটগুলি সহজেই একে অপরের কাছ থেকে পিছলে যায়)। π-ক্লাউড গঠনের জন্য প্রতিটি পরমাণুর বাইরের ইলেকট্রনগুলির একটিকে ডিলোকালাইজেশন করার কারণে, গ্রাফাইট বিদ্যুৎ সঞ্চালন করে, তবে শুধুমাত্র প্রতিটি সমন্বিত বন্ধনযুক্ত শীটের সমতলে। এর ফলে বেশিরভাগ ধাতুর তুলনায় কার্বনের জন্য কম বাল্ক বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা হয়। ডিলোকালাইজেশন ঘরের তাপমাত্রায় হীরার উপরে গ্রাফাইটের অনলস স্থিতিশীলতার জন্যও দায়ী।
কার্বনের কিছু অ্যালোট্রপ:
ক) হীরা;
খ) গ্রাফাইট;
গ) লন্সডেলাইট;
ঘ) ফুলেরিনস (C60, C540, C70);
ঙ) নিরাকার কার্বন;
চ) কার্বন ন্যানোটিউব
খুব উচ্চ চাপে, কার্বন গ্রাফাইটের প্রায় দ্বিগুণ ঘনত্ব সহ আরও কমপ্যাক্ট অ্যালোট্রপ, হীরা গঠন করে। এখানে, প্রতিটি পরমাণু টেট্রাহেড্রালিভাবে চারটি অন্যের সাথে সংযুক্ত থাকে, যা পরমাণুর ছয় সদস্যের রিংগুলির একটি 3-মাত্রিক নেটওয়ার্ক তৈরি করে। হীরার সিলিকন এবং জার্মেনিয়ামের মতো একই ঘনক গঠন রয়েছে এবং কার্বন-কার্বন বন্ধনের শক্তির কারণে, এটি প্রাকৃতিকভাবে ঘটতে থাকা সবচেয়ে কঠিন পদার্থ যা স্ক্র্যাচিং প্রতিরোধের দ্বারা পরিমাপ করা হয়। জনপ্রিয় বিশ্বাসের বিপরীতে যে "হীরা চিরকালের জন্য", তারা তাপগতিগতভাবে অস্থির (ΔfG°(হীরা, 298 K) = 2.9 kJ/mol[45]) স্বাভাবিক অবস্থায় (298 K, 10 Pa) এবং তাত্ত্বিকভাবে গ্রাফাইটে রূপান্তরিত হওয়া উচিত কিন্তু একটি উচ্চ সক্রিয়করণ শক্তি বাধার কারণে, গ্রাফাইটে রূপান্তর স্বাভাবিক তাপমাত্রায় এত ধীর যে এটি লক্ষ্য করা যায় না। যাইহোক, খুব উচ্চ তাপমাত্রায় হীরা গ্রাফাইটে পরিণত হবে এবং হীরা ঘরের আগুনে পুড়ে যেতে পারে। কার্বনের জন্য ফেজ ডায়াগ্রামের নীচের বাম কোণটি পরীক্ষামূলকভাবে যাচাই করা হয়নি। যদিও ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব পদ্ধতি ব্যবহার করে একটি গণনামূলক গবেষণা এই সিদ্ধান্তে পৌঁছেছে যে T → 0 K এবং p → 0 Pa হিসাবে, হীরা প্রায় 1.1 kJ/mol দ্বারা গ্রাফাইটের চেয়ে বেশি স্থিতিশীল হয়ে ওঠে, আরও সাম্প্রতিক এবং নিশ্চিত পরীক্ষামূলক এবং গণনামূলক গবেষণা দেখায় যে গ্রাফাইট টি <400 K এর জন্য হীরার চেয়ে বেশি স্থিতিশীল, চাপ ছাড়াই, 2.7 দ্বারা T = 0 K এ kJ/mol এবং T = 298.15 K এ 3.2 kJ/mol। কিছু অবস্থার অধীনে, কার্বন লন্সডালাইট হিসাবে স্ফটিক করে, একটি ষড়ভুজাকার স্ফটিক জালি যার সমস্ত পরমাণু সমযোজীভাবে বন্ধনযুক্ত এবং হীরার মতো বৈশিষ্ট্যযুক্ত।
ফুলেরিন হল গ্রাফাইটের মতো গঠন সহ একটি সিন্থেটিক স্ফটিক গঠন, কিন্তু শুধুমাত্র সমতল ষড়ভুজ কোষের জায়গায়, ফুলেরিনগুলি গঠিত হয় এমন কিছু কোষ পেন্টাগন, ননপ্লানার হেক্সাগন বা কার্বন পরমাণুর হেপ্টাগনও হতে পারে। এইভাবে শীটগুলি গোলক, উপবৃত্ত বা সিলিন্ডারে বিকৃত হয়। ফুলেরিনের বৈশিষ্ট্যগুলি (বাকিবল, বাকিটিউব এবং ন্যানোবাডে বিভক্ত) এখনও পুরোপুরি বিশ্লেষণ করা হয়নি এবং ন্যানোম্যাটেরিয়ালগুলিতে গবেষণার একটি তীব্র ক্ষেত্রকে প্রতিনিধিত্ব করে। ফুলেরিন এবং বাকিবল নামগুলি রিচার্ড বাকমিনস্টার ফুলারের নামে দেওয়া হয়েছে, জিওডেসিক গম্বুজের জনপ্রিয়তা, যা ফুলেরিনের গঠনের সাথে সাদৃশ্যপূর্ণ। বাকিবলগুলি হল মোটামুটি বড় অণু যা সম্পূর্ণরূপে কার্বন বন্ধনে ত্রিকোণভাবে গঠিত, গোলাকার তৈরি করে (সবচেয়ে পরিচিত এবং সরল হল সকারবল আকৃতির C60 বাকমিনস্টারফুলারিন)। কার্বন ন্যানোটিউব (buckytubes) গঠনগতভাবে buckyballs অনুরূপ, প্রতিটি পরমাণু একটি ফাঁপা সিলিন্ডার গঠন একটি বাঁকা শীট মধ্যে ত্রিকোণভাবে বন্ধন করা হয় ছাড়া। ন্যানোবাডগুলি 2007 সালে প্রথম রিপোর্ট করা হয়েছিল এবং এটি হাইব্রিড বাকিটিউব/বাকিবল উপাদান (বাকিবলগুলি একটি ন্যানোটিউবের বাইরের প্রাচীরের সাথে সমযোজীভাবে বন্ধন করা হয়) যা একটি একক কাঠামোতে উভয়ের বৈশিষ্ট্যকে একত্রিত করে।
অন্যান্য আবিষ্কৃত অ্যালোট্রপগুলির মধ্যে, কার্বন ন্যানোফোম হল একটি ফেরোম্যাগনেটিক অ্যালোট্রপ যা 1997 সালে আবিষ্কৃত হয়েছিল। এটি একটি আলগা ত্রিমাত্রিক ওয়েবে একসাথে আটকে থাকা কার্বন পরমাণুর একটি নিম্ন-ঘনত্বের ক্লাস্টার-অ্যাসেম্বলি নিয়ে গঠিত, যেখানে পরমাণুগুলি ত্রিকোণভাবে ছয়টি- এবং সাত সদস্যের রিং। এটি প্রায় 2 kg/m3 ঘনত্ব সহ হালকা পরিচিত কঠিন পদার্থের মধ্যে একটি। একইভাবে, গ্লাসযুক্ত কার্বনে বদ্ধ ছিদ্রের উচ্চ অনুপাত থাকে, তবে স্বাভাবিক গ্রাফাইটের বিপরীতে, গ্রাফিটিক স্তরগুলি একটি বইয়ের পাতার মতো স্তুপীকৃত হয় না, তবে আরও এলোমেলো বিন্যাস থাকে। লিনিয়ার অ্যাসিটাইলেনিক কার্বন এর রাসায়নিক গঠন রয়েছে −(C≡C)n−। এই পরিবর্তনে কার্বন sp অরবিটাল হাইব্রিডাইজেশন সহ রৈখিক, এবং বিকল্প একক এবং ট্রিপল বন্ড সহ একটি পলিমার। এই কার্বাইনটি ন্যানোটেকনোলজির জন্য যথেষ্ট আগ্রহের কারণ এটির ইয়াং এর মডুলাস সবচেয়ে কঠিন পরিচিত উপাদান - হীরার 40 গুণ বেশি।
2015 সালে, নর্থ ক্যারোলিনা স্টেট ইউনিভার্সিটির একটি দল অন্য একটি অ্যালোট্রপের বিকাশের ঘোষণা করেছিল যেটি তারা Q-কার্বন নামে পরিচিত, নিরাকার কার্বন ধূলিকণার উপর একটি উচ্চ-শক্তি কম-সময়ের লেজার পালস দ্বারা তৈরি। Q-কার্বন ফেরোম্যাগনেটিজম, ফ্লুরোসেন্স, এবং হীরার চেয়ে উচ্চতর কঠোরতা প্রদর্শন করে বলে জানা গেছে।
বাষ্প পর্যায়ে, কিছু কার্বন অত্যন্ত প্রতিক্রিয়াশীল ডায়াটমিক কার্বন ডাইকার্বন (C2) আকারে থাকে। উত্তেজিত হলে, এই গ্যাসটি সবুজ হয়ে ওঠে।
হাইড্রোজেন, হিলিয়াম এবং অক্সিজেনের পরে ভর দ্বারা পর্যবেক্ষণযোগ্য মহাবিশ্বের চতুর্থ সর্বাধিক প্রচুর রাসায়নিক উপাদান কার্বন। কার্বন সূর্য, নক্ষত্র, ধূমকেতু এবং অধিকাংশ গ্রহের বায়ুমণ্ডলে প্রচুর পরিমাণে রয়েছে। কিছু উল্কাপিন্ডে আণুবীক্ষণিক হীরা রয়েছে যেগুলি যখন সৌরজগত তখনও একটি প্রোটোপ্ল্যানেটারি ডিস্ক ছিল। অণুবীক্ষণিক হীরাও উল্কাপিণ্ডের আঘাতের স্থানে তীব্র চাপ এবং উচ্চ তাপমাত্রার দ্বারা গঠিত হতে পারে।
2014 সালে NASA মহাবিশ্বে পলিসাইক্লিক অ্যারোমেটিক হাইড্রোকার্বন (PAHs) ট্র্যাক করার জন্য একটি ব্যাপকভাবে আপগ্রেড করা ডাটাবেস ঘোষণা করেছে। মহাবিশ্বের কার্বনের 20% এরও বেশি PAHs, কার্বনের জটিল যৌগ এবং অক্সিজেন ছাড়া হাইড্রোজেনের সাথে যুক্ত হতে পারে। এই যৌগগুলি PAH ওয়ার্ল্ড হাইপোথিসিসে চিত্রিত করে যেখানে তাদের অ্যাবায়োজেনেসিস এবং জীবন গঠনে ভূমিকা রয়েছে বলে অনুমান করা হয়। বিগ ব্যাং-এর পর PAH গুলি "কয়েক বিলিয়ন বছর" গঠিত হয়েছে বলে মনে হয়, মহাবিশ্ব জুড়ে বিস্তৃত এবং নতুন তারা এবং এক্সোপ্ল্যানেটের সাথে যুক্ত।
এটা অনুমান করা হয়েছে যে সামগ্রিকভাবে কঠিন পৃথিবীতে 730 পিপিএম কার্বন রয়েছে, যার মূলে 2000 পিপিএম এবং মিলিত ম্যান্টেল এবং ক্রাস্টে 120 পিপিএম রয়েছে। যেহেতু পৃথিবীর ভর 5.972×10 কেজি, এটি 4360 মিলিয়ন গিগাটন কার্বন বোঝায়। এটি মহাসাগর বা বায়ুমণ্ডলে (নীচে) কার্বনের পরিমাণের চেয়ে অনেক বেশি।
কার্বন ডাই অক্সাইডে অক্সিজেনের সংমিশ্রণে, পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে কার্বন পাওয়া যায় (আনুমানিক 900 গিগাটন কার্বন — প্রতিটি পিপিএম 2.13 Gt এর সাথে মিলে যায়) এবং সমস্ত জলাশয়ে দ্রবীভূত হয় (প্রায় 36,000 গিগাটন কার্বন)। জীবজগতে কার্বন 550 গিগাটনে অনুমান করা হয়েছে কিন্তু একটি বড় অনিশ্চয়তার সাথে, বেশিরভাগই স্থলজ গভীর পৃষ্ঠতল ব্যাকটেরিয়ার পরিমাণে একটি বিশাল অনিশ্চয়তার কারণে। হাইড্রোকার্বন (যেমন কয়লা, পেট্রোলিয়াম এবং প্রাকৃতিক গ্যাস) কার্বনও ধারণ করে। কয়লা "মজুদ" ("সম্পদ" নয়) প্রায় 900 গিগাটনের পরিমাণ সম্ভবত 18,000 Gt সম্পদের সাথে। তেলের মজুদ প্রায় 150 গিগাটন। প্রাকৃতিক গ্যাসের প্রমাণিত উৎস হল প্রায় 175×10 ঘনমিটার (প্রায় 105 গিগাটন কার্বন ধারণ করে),কিন্তু গবেষণায় অনুমান করা হয়েছে আরও 900×10 কিউবিক মিটার "অপ্রচলিত" আমানত যেমন শেল গ্যাস, যা প্রায় 540 গিগাটন কার্বনের প্রতিনিধিত্ব করে।
মেরু অঞ্চলে এবং সমুদ্রের নীচে মিথেন হাইড্রেটেও কার্বন পাওয়া যায়। বিভিন্ন অনুমান এই কার্বনকে 500, 2500, বা 3,000 Gt এর মধ্যে রাখে।
একটি সূত্র অনুসারে, 1751 থেকে 2008 পর্যন্ত সময়কালে জীবাশ্ম জ্বালানী পোড়ানো থেকে প্রায় 347 গিগাটন কার্বন কার্বন ডাই অক্সাইড হিসাবে বায়ুমণ্ডলে নির্গত হয়েছিল। অন্য একটি সূত্র 1750 সাল থেকে বায়ুমণ্ডলে যোগ করা পরিমাণ 879 Gt এবং বায়ুমণ্ডল, সমুদ্র এবং স্থলভাগে (যেমন পিট বগ) প্রায় 2,000 Gt-এ যোগ করে।
কার্বন হল কার্বনেট শিলার (চুনাপাথর, ডলোমাইট, মার্বেল এবং অন্যান্য) একটি উপাদান (ভর অনুসারে প্রায় 12%)। কয়লা কার্বন সমৃদ্ধ (অ্যানথ্রাসাইট 92-98% ধারণ করে) এবং খনিজ কার্বনের বৃহত্তম বাণিজ্যিক উৎস, যা 4,000 গিগাটন বা জীবাশ্ম জ্বালানীর 80%।
স্বতন্ত্র কার্বন অ্যালোট্রপ হিসাবে, গ্রাফাইট মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে (বেশিরভাগই নিউ ইয়র্ক এবং টেক্সাসে), রাশিয়া, মেক্সিকো, গ্রিনল্যান্ড এবং ভারতে প্রচুর পরিমাণে পাওয়া যায়। প্রাকৃতিক হীরা রক কিম্বারলাইটে পাওয়া যায়, যা প্রাচীন আগ্নেয়গিরির "নেকস" বা "পাইপ" এ পাওয়া যায়। বেশিরভাগ হীরার আমানত আফ্রিকাতে রয়েছে, বিশেষ করে দক্ষিণ আফ্রিকা, নামিবিয়া, বতসোয়ানা, কঙ্গো প্রজাতন্ত্র এবং সিয়েরা লিওনে। আরকানসাস, কানাডা, রাশিয়ান আর্কটিক, ব্রাজিল এবং উত্তর ও পশ্চিম অস্ট্রেলিয়াতেও হীরার আমানত পাওয়া গেছে। কেপ অফ গুড হোপের সমুদ্রের তল থেকে হীরাও উদ্ধার করা হচ্ছে। হীরা প্রাকৃতিকভাবে পাওয়া যায়, তবে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে ব্যবহৃত সমস্ত শিল্প হীরার প্রায় 30% এখন তৈরি করা হয়।
কার্বন-14 ট্রপোস্ফিয়ারের উপরের স্তরে এবং 9-15 কিমি উচ্চতায় স্ট্র্যাটোস্ফিয়ারে তৈরি হয় একটি বিক্রিয়া যা মহাজাগতিক রশ্মি দ্বারা উদ্ভূত হয়। তাপীয় নিউট্রন উৎপন্ন হয় যা নাইট্রোজেন-14 এর নিউক্লিয়াসের সাথে সংঘর্ষে কার্বন-14 এবং একটি প্রোটন তৈরি করে। যেমন, বায়ুমণ্ডলীয় কার্বন ডাই অক্সাইডের 1.5% × 10−10 কার্বন-14 ধারণ করে।
কার্বন-সমৃদ্ধ গ্রহাণুগুলি সৌরজগতের গ্রহাণু বেল্টের বাইরের অংশে তুলনামূলকভাবে প্রধান। এই গ্রহাণুগুলি এখনও বিজ্ঞানীদের দ্বারা সরাসরি নমুনা করা হয়নি। গ্রহাণুগুলি অনুমানমূলক স্থান-ভিত্তিক কার্বন খনির কাজে ব্যবহার করা যেতে পারে, যা ভবিষ্যতে সম্ভব হতে পারে, কিন্তু বর্তমানে প্রযুক্তিগতভাবে অসম্ভব।
আইসোটোপ
কার্বনের আইসোটোপ হল পারমাণবিক নিউক্লিয়াস যাতে ছয়টি প্রোটন এবং অনেকগুলি নিউট্রন থাকে (2 থেকে 16 পর্যন্ত পরিবর্তিত হয়)। কার্বন দুটি স্থিতিশীল, প্রাকৃতিকভাবে ঘটমান আইসোটোপ আছে। আইসোটোপ কার্বন-12 (12C) পৃথিবীতে কার্বনের 98.93% গঠন করে, যেখানে কার্বন-13 (13C) অবশিষ্ট 1.07% গঠন করে। জৈব পদার্থে 12C এর ঘনত্ব আরও বৃদ্ধি পায় কারণ জৈব রাসায়নিক বিক্রিয়া 13C এর সাথে বৈষম্য করে। 1961 সালে, ইন্টারন্যাশনাল ইউনিয়ন অফ পিওর অ্যান্ড অ্যাপ্লায়েড কেমিস্ট্রি (IUPAC) পারমাণবিক ওজনের ভিত্তি হিসাবে আইসোটোপ কার্বন-12 গ্রহণ করে। নিউক্লিয়ার ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স (NMR) পরীক্ষায় কার্বন সনাক্তকরণ আইসোটোপ 13C দিয়ে করা হয়।
কার্বন-14 (14C) হল একটি প্রাকৃতিকভাবে উদ্ভূত রেডিওআইসোটোপ, যা মহাজাগতিক রশ্মির সাথে নাইট্রোজেনের মিথস্ক্রিয়া দ্বারা উপরের বায়ুমণ্ডলে (নিম্ন স্ট্রাটোস্ফিয়ার এবং উপরের ট্রপোস্ফিয়ার) তৈরি হয়। এটি পৃথিবীতে 1 অংশ প্রতি ট্রিলিয়ন (0.0000000001%) বা তার বেশি পরিমাণে পাওয়া যায়, বেশিরভাগই বায়ুমণ্ডল এবং পৃষ্ঠীয় আমানতের মধ্যে সীমাবদ্ধ, বিশেষ করে পিট এবং অন্যান্য জৈব পদার্থের। এই আইসোটোপ 0.158 MeV β− নির্গমন দ্বারা ক্ষয়প্রাপ্ত হয়। 5700±30 বছরের অপেক্ষাকৃত ছোট অর্ধ-জীবনের কারণে, [15] 14C প্রাচীন শিলাগুলিতে কার্যত অনুপস্থিত। বায়ুমণ্ডলে এবং জীবন্ত প্রাণীদের মধ্যে 14C এর পরিমাণ প্রায় স্থির, কিন্তু মৃত্যুর পরে তাদের দেহে অনুমানযোগ্যভাবে হ্রাস পায়। এই নীতিটি 1949 সালে আবিষ্কৃত রেডিওকার্বন ডেটিং-এ ব্যবহৃত হয়, যা প্রায় 40,000 বছর পর্যন্ত বয়সের কার্বোনাসিয়াস পদার্থের বয়স নির্ধারণের জন্য ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে।
কার্বনের 15টি পরিচিত আইসোটোপ রয়েছে এবং এর মধ্যে সবচেয়ে কম সময়কাল 8C যা প্রোটন নির্গমনের মাধ্যমে ক্ষয়প্রাপ্ত হয় এবং এর অর্ধ-জীবন 3.5×10−21 s।[15] বহিরাগত 19C একটি পারমাণবিক হ্যালো প্রদর্শন করে, যার মানে এর ব্যাসার্ধ প্রত্যাশিতভাবে প্রত্যাশিতভাবে বড় যদি নিউক্লিয়াস ধ্রুবক ঘনত্বের একটি গোলক হয়।
নক্ষত্রে গঠন
কার্বন পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের গঠন ট্রিপল-আলফা প্রক্রিয়ার মাধ্যমে একটি দৈত্য বা সুপারজায়ান্ট নক্ষত্রের মধ্যে ঘটে। এর জন্য তিনটি আলফা কণার (হিলিয়াম নিউক্লিয়াস) প্রায় একযোগে সংঘর্ষের প্রয়োজন হয়, কারণ হাইড্রোজেনের সাথে হিলিয়ামের আরও পারমাণবিক ফিউশন বিক্রিয়া বা অন্য হিলিয়াম নিউক্লিয়াস যথাক্রমে লিথিয়াম-5 এবং বেরিলিয়াম-8 উৎপন্ন করে, উভয়ই অত্যন্ত অস্থির এবং প্রায় ক্ষয়প্রাপ্ত হয়। অবিলম্বে ছোট নিউক্লিয়াস মধ্যে ফিরে. ট্রিপল-আলফা প্রক্রিয়াটি 100 মেগাকেলভিনের বেশি তাপমাত্রা এবং হিলিয়াম ঘনত্বের পরিস্থিতিতে ঘটে যা প্রাথমিক মহাবিশ্বের দ্রুত সম্প্রসারণ এবং শীতল হওয়া নিষিদ্ধ ছিল এবং তাই বিগ ব্যাং-এর সময় কোনও উল্লেখযোগ্য কার্বন তৈরি হয়নি।বর্তমান ভৌত মহাজাগতিক তত্ত্ব অনুসারে, অনুভূমিক শাখায় তারার অভ্যন্তরে কার্বন গঠিত হয়। যখন বিশাল নক্ষত্রগুলি সুপারনোভা হিসাবে মারা যায়, তখন কার্বন ধূলিকণা হিসাবে মহাকাশে ছড়িয়ে পড়ে। এই ধূলিকণা স্বীকৃত গ্রহের সাথে পরবর্তী প্রজন্মের তারকা সিস্টেম গঠনের উপাদান হয়ে ওঠে। সৌরজগৎ হল কার্বনের প্রাচুর্যের সাথে এমনই একটি নক্ষত্র ব্যবস্থা, যা আমরা জানি যে জীবনের অস্তিত্বকে সক্ষম করে। এটা অধিকাংশ পণ্ডিতদের মতামত যে সৌরজগত এবং মিল্কিওয়ের সমস্ত কার্বন মৃত নক্ষত্র থেকে আসে।
CNO চক্র হল একটি অতিরিক্ত হাইড্রোজেন ফিউশন প্রক্রিয়া যা তারাকে শক্তি দেয়, যেখানে কার্বন একটি অনুঘটক হিসেবে কাজ করে।
কার্বন মনোক্সাইডের বিভিন্ন আইসোটোপিক রূপের ঘূর্ণনগত রূপান্তর (উদাহরণস্বরূপ, 12CO, 13CO, এবং 18CO) সাবমিলিমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসরে সনাক্তযোগ্য, এবং আণবিক মেঘে নতুন গঠিত নক্ষত্রের গবেষণায় ব্যবহৃত হয়।
কার্বন চক্র
কার্বন চক্রের চিত্র। কালো সংখ্যাগুলি নির্দেশ করে যে বিভিন্ন জলাধারে কত কার্বন সঞ্চিত রয়েছে, বিলিয়ন টনে ("GtC" মানে গিগাটন কার্বন; পরিসংখ্যান হল c. 2004)। বেগুনি সংখ্যাগুলি প্রতি বছর জলাধারগুলির মধ্যে কতটা কার্বন চলে তা নির্দেশ করে। পলি, যেমন এই চিত্রে সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে, কার্বনেট শিলা এবং কেরোজেনের ≈70 মিলিয়ন GtC অন্তর্ভুক্ত করে না।
স্থলজ অবস্থার অধীনে, একটি উপাদানের অন্য উপাদানে রূপান্তর খুবই বিরল। অতএব, পৃথিবীতে কার্বনের পরিমাণ কার্যকরভাবে ধ্রুবক। এইভাবে, কার্বন ব্যবহার করে এমন প্রক্রিয়াগুলিকে অবশ্যই এটি কোথাও থেকে পেতে হবে এবং অন্য কোথাও এটি নিষ্পত্তি করতে হবে। পরিবেশে কার্বনের পথগুলি কার্বন চক্র গঠন করে। উদাহরণস্বরূপ, সালোকসংশ্লেষণকারী উদ্ভিদ বায়ুমণ্ডল (বা সমুদ্রের জল) থেকে কার্বন ডাই অক্সাইড টেনে এবং এটিকে বায়োমাসে তৈরি করে, যেমন ক্যালভিন চক্রে, কার্বন স্থির প্রক্রিয়া। এই জৈব পদার্থের কিছু প্রাণীরা খেয়ে থাকে, আবার কিছু কার্বন প্রাণীরা কার্বন ডাই অক্সাইড হিসেবে ত্যাগ করে। কার্বন চক্র এই সংক্ষিপ্ত লুপের তুলনায় যথেষ্ট জটিল; উদাহরণস্বরূপ, কিছু কার্বন ডাই অক্সাইড মহাসাগরে দ্রবীভূত হয়; যদি ব্যাকটেরিয়া এটি গ্রাস না করে, তাহলে মৃত উদ্ভিদ বা প্রাণীর পদার্থ পেট্রোলিয়াম বা কয়লায় পরিণত হতে পারে, যা পোড়ালে কার্বন নির্গত করে
কার্বন কবে আবিষ্কৃত হয়েছিল তা সঠিকভাবে বলা সম্ভব নয়। কারণ আগুন আবিষ্কারের আগে থেকেই মানুষ কার্বনের সাথে পরিচিত ছিল। বজ্রাঘাতের ফলে পুড়ে যাওয়া কাঠের মাধ্যমেই মানুষ প্রথম কার্বনের সাথে পরিচিত হয়। আগুন আবিষ্কারের পর কার্বন হয় মানুষের নিত্যসঙ্গী। কারণ এটি অতিমাত্রায় দাহ্য একটি বস্তু। কার্বন পদার্থটির সাথে পরিচিত থাকলেও এটি যে একটি মৌলিক পদার্থ তা মানুষ বেশিদিন আগে জানতে পারেনি। এমনকি কার্বন নামটির ইতিহাস বেশি প্রাচীন নয়। ১৭৮৯ সালে এন্টনি ল্যাভয়সিয়ে কর্তৃক সংকলিত "মৌলিক পদার্থের তালিকায়" কার্বন উপস্থিত ছিল। মূলত ল্যাভয়সিয়েই প্রথম ব্যক্তি যিনি প্রমাণ করেছিলেন কার্বন একটি মৌলিক পদার্থ। কয়লা ও অন্যান্য যৌগের দহন পরীক্ষা করে তিনি এই প্রমাণ পেয়েছিলেন।
প্রকৃতিতে কার্বনের দুইটি বহুরুপ রয়েছে। একটি হীরক এবং অন্যটি গ্রাফাইট। অনেক আগে থেকেই মানুষ এ পদার্থ দুটিকে চিনতো। এমনকি উচ্চ তাপমাত্রায় হীরাকে দহন করালে যে অবশেষ হিসেবে কিছু পাওয়া যায়না তাও মানুষের জানা ছিল। কিন্তু এই পদার্থ দুটিকে সম্পূর্ণ ভিন্ন পদার্থ হিসেবে মনে করা হতো। কার্বন ডাই অক্সাইড আবিষ্কারের পর এই সমস্যার সমাধান হয়। ল্যাভয়সিয়ে দেখেন যে, হীরক এবং কাঠকয়লা দুটির দহনেই কার্বন ডাই অক্সাইড উৎপন্ন হয়। এ থেকে সিদ্ধান্ত নেয়া গিয়েছিল যে এরা অভিন্ন পদার্থ। ১৭৮৭ খ্রিস্টাব্দে "Methods of Chemical Nomenclature" নামক গ্রন্থে (ল্যাভয়সিয়ে, এল. গুইটন ডি. মারভিউ, সি. বারথোলেট এবং এ. ফোউরক্রই কর্তৃক লিখিত) প্রথম কার্বনেয়াম (কার্বন) নামটির উল্লেখ পাওয়া যায়। ল্যাটিন নাম তথা কার্বনেয়াম আবার সংস্কৃত ভাষা থেকে এসেছে। সংস্কৃত ভাষায় "ক্রা" শব্দের অর্থ "ফোটা"। ১৮২৪ খ্রিস্টাব্দে মৌলটির নাম কার্বন দেয়া হয়েছিল।
১৭৯৭ খ্রিস্টাব্দে বিজ্ঞানী এস. টেন্যান্ট আবিষ্কার করেন, সম পরিমাণ হীরক ও গ্রাফাইটের দহনে সমআয়তন কার্বন ডাই অক্সাইড উৎপন্ন হয়। অবশেষে ১৭৯৯ খ্রিস্টাব্দে এল. গুইটন ডি. মারভিউ নিশ্চিতভাবে প্রমাণ করেন যে হীরক, গ্রাফাইট এবং কোকের একমাত্র উপাদান হচ্ছে কার্বন। এর বিশ বছর পর তিনি সতর্কতার সাথে উত্তপ্ত করে হীরককে গ্রাফাইট এবং গ্রাফাইটকে কার্বন ডাই অক্সাইডে পরিণত করতে সমর্থ হন। কিন্তু গ্রাফাইট থেকে হীরক তৈরির মত প্রযুক্তি তখনও ছিলনা। অবশেষে ১৯৫৫ সালে ব্রিটিশ বিজ্ঞানীদের একটি দল ৩০০০° সেন্টিগ্রেড তাপমাত্রা এবং ১০ প্যাসকেল চাপে গ্রাফাইট থেকে হীরক সংশ্লেষণ করতে সক্ষম হন। এর কিছুদিন পর সোভিয়েত ইউনিয়নে কার্বন নামে আরেকটি পদার্থ তৈরি করা হয় যাকে কার্বনের তৃতীয় বহুরুপ হিসেবে চিহ্নিত করা হয়েছে। এই পদার্থের ক্ষেত্রে কার্বনের পরমাণুগুলো একটির সাথে আরেকটি সংযুক্ত হয়ে লম্বা শিকল তৈরি করে। এটি দেখতে অনেকটা ভূসিকালির মত।
বহিঃসংযোগ