عنصر کربن چیست؟ - جامع و به زبان ساده

کربن چیست؟

[wpdatatable id=33]

کربن نوعی ماده مشابه هیدروژن، اکسیژن، سرب و سایر عناصر موجود در جدول تناوبی است.

کربن می تواند در اشکال خالص مانند الماس و گرافیت یافت شود. علاوه بر این، می تواند با عناصر دیگر ترکیب شود تا مولکول ایجاد کند.

این مولکول های مبتنی بر کربن اجزای ضروری انسان، حیوانات، گیاهان، درختان و خاک هستند. گازهای گلخانه ای مانند CO2 و متان نیز از مولکول های مبتنی بر کربن تشکیل شده اند.

سوخت های فسیلی که عمدتاً از هیدروکربن ها (مولکول های هیدروژن و کربن) ساخته شده اند نیز در این دسته قرار می گیرند.

در بحث های مربوط به تغییرات آب و هوایی، اصطلاح کربن اغلب برای دی اکسید کربن (CO2)، مهم ترین گاز گلخانه ای منتشر شده توسط انسان استفاده می شود.

نمودار انتشار سالانه کربن دی اکسید در جهان

[wpdatachart id=5]

با این حال، این استفاده کاملاً دقیق نیست. کربن تنها زمانی به دی اکسید کربن تبدیل می شود که هر اتم کربن با دو اتم اکسیژن ترکیب شود و به فرمول شیمیایی CO2 منجر شود.

این جایگزینی کلمه می تواند گیج کننده باشد، زیرا عباراتی مانند “یک تن کربن” ممکن است به جای “یک تن CO2” استفاده شود.

با این حال، در یک زمینه علمی، این عبارت می تواند به «CO2 حاوی یک تن کربن» نیز اشاره داشته باشد، که مقدار بسیار کمتری است زیرا اکسیژن بیشتر وزن هر مولکول CO2 را تشکیل می دهد.

اصطلاح “کربن” همچنین در مفهوم ردپای کربن مرتبط است، که نشان دهنده مقدار کل گازهای گلخانه ای آزاد شده از یک فعالیت خاص است.

در این زمینه، «یک تن کربن» ممکن است بار دیگر معنای متفاوتی داشته باشد: «ترکیبی از گازهای گلخانه‌ای با تأثیر گرمایش جمعی معادل یک تن CO2».

[wpdatatable id=34]

ایزوتوپ های کربن

سه نوع ایزوتوپ کربن وجود دارد. متداول ترین کربن ۱۲ (۱۲C) است که دارای شش نوترون و شش پروتون است. سنگین‌ترین ماده بعدی کربن ۱۳ (۱۳ درجه سانتیگراد) با هفت نوترون است.

هر دو ۱۲C و ۱۳C ایزوتوپ های پایدار هستند زیرا در طول زمان به اشکال یا عناصر دیگر تغییر نمی کنند. نوع سوم، کربن ۱۴ (۱۴C)، دارای هشت نوترون است و ناپایدار یا رادیواکتیو است. با گذشت زمان، یک اتم ۱۴ درجه سانتیگراد به شکل پایدار تجزیه می شود.

چرخه کربن

کربن برای حیات روی زمین بسیار مهم است. این بخش اساسی از بدن ما، غذای ما، و پایه های جوامع ما، از جمله اقتصاد، خانه ها، و حمل و نقل ما است. در حالی که ما به کربن وابسته هستیم، آن را با مسئله مهمی که امروز با آن روبرو هستیم نیز مرتبط است: تغییرات آب و هوایی جهانی.

کربن که در ستارگان پیر متولد شده است، چهارمین عنصر فراوان در کیهان است. بیشتر کربن زمین – تقریباً ۶۵۵۰۰ میلیارد تن متریک – در سنگ‌ها و بقیه در اقیانوس، جو، گیاهان، خاک و سوخت‌های فسیلی ذخیره می‌شود.

کربن بین این مخازن در فرآیندی به نام چرخه کربن حرکت می کند که دارای اجزای کند و سریع است. هر تغییری در چرخه ای که کربن را از یک مخزن خارج می کند منجر به تولید کربن بیشتر در مخازن دیگر می شود. تغییراتی که گازهای کربنی را در اتمسفر آزاد می کند، به گرم شدن دمای زمین کمک می کند.

در درازمدت، به نظر می‌رسد چرخه کربن تعادل را حفظ می‌کند و از ورود تمام کربن زمین به جو (مانند زهره) یا ذخیره شدن کامل در سنگ‌ها جلوگیری می‌کند. این تعادل کمک می کند تا دمای زمین نسبتاً ثابت بماند و مانند یک ترموستات عمل کند.

این ترموستات در طول صدها هزار سال کار می کند که بخشی از چرخه کربن آهسته است. این بدان معناست که در دوره‌های کوتاه‌تر – ده‌ها تا صدها هزار سال – دمای زمین می‌تواند در نوسان باشد. در واقع، زمین در این مقیاس‌های زمانی تغییراتی را بین عصر یخبندان و دوره‌های گرم‌تر بین یخبندان تجربه می‌کند. بخش های خاصی از چرخه کربن حتی ممکن است این تغییرات دمایی کوتاه مدت را تقویت کند.

ظهور هیمالیا، که از ۵۰ میلیون سال پیش آغاز شد، با فراهم کردن منبع بزرگی از سنگ تازه، ترموستات زمین را دوباره تنظیم کرد تا کربن بیشتری را از طریق هوازدگی شیمیایی به چرخه کربن آهسته بکشد. همانطور که در این نمودار نشان داده شده است، این منجر به کاهش دما و تشکیل صفحات یخی شد و نسبت بین اکسیژن سنگین و سبک در اعماق اقیانوس را تغییر داد.

در مقیاس های زمانی بسیار طولانی (میلیون ها تا ده ها میلیون سال)، حرکت صفحات تکتونیکی و تغییرات در سرعت خروج کربن از داخل زمین می تواند دمای ترموستات را تغییر دهد. در طول ۵۰ میلیون سال گذشته، زمین دستخوش چنین تغییری شده است و از آب و هوای فوق العاده گرم دوره کرتاسه (تقریباً ۱۴۵ تا ۶۵ میلیون سال پیش) به آب و هوای یخبندان پلیستوسن (تقریباً ۱.۸ میلیون تا ۱۱۵۰۰ سال پیش) منتقل شده است.

چرخه کربن آهسته

در چرخه کربن آهسته، کربن بین سنگ‌ها، خاک، اقیانوس‌ها و اتمسفر طی یک دوره طولانی ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال حرکت می‌کند. این حرکت از طریق یک سری واکنش های شیمیایی و فعالیت های تکتونیکی رخ می دهد. به طور متوسط، ۱۰^۱۳ تا ۱۰^۱۴ گرم (۱۰-۱۰۰ میلیون تن متریک) کربن در هر سال در چرخه کربن آهسته شرکت می کند. در مقایسه، انتشار کربن انسان در جو حدود ۱۰^۱۵ گرم است، در حالی که چرخه کربن سریع ۱۰^۱۶ تا ۱۰^۱۷ گرم کربن سالانه جابجا می شود.

چرخه کربن سریع

چرخه کربن سریع در یک بازه زمانی کوتاه‌تر عمل می‌کند که در طول عمر موجودات زنده اندازه‌گیری می‌شود. این در درجه اول شامل حرکت کربن از طریق اشکال حیات روی زمین است که به عنوان بیوسفر شناخته می شود. تقریباً ۱۰^۱۵ تا ۱۰^۱۷ گرم (۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ میلیون تن متریک) کربن سالانه در چرخه کربن سریع حرکت می کند.

کربن به دلیل توانایی آن در ایجاد پیوندهای متعدد، تا چهار پیوند در هر اتم، در طیف گسترده ای از مولکول های آلی پیچیده، در زیست شناسی بسیار مهم است. بسیاری از مولکول‌های آلی حاوی اتم‌های کربن هستند که پیوندهای قوی با دیگر اتم‌های کربن ایجاد می‌کنند و زنجیره‌ها و حلقه‌های بلندی را ایجاد می‌کنند. این ساختارهای کربنی به عنوان پایه سلول های زنده عمل می کنند. به عنوان مثال، DNA از دو مولکول در هم تنیده تشکیل شده است که در اطراف یک زنجیره کربنی ساخته شده اند.

[wpdatatable id=35]

از نظر فراوانی، اکثر کربن روی زمین ۱۲ درجه سانتیگراد است که تقریباً ۹۹٪ از کل کربن را تشکیل می دهد. حدود ۱٪ به شکل ایزوتوپ ۱۳C است، در حالی که ۱۴C بسیار نادرتر است. از هر تریلیون اتم کربن تنها یک اتم ۱۴ درجه سانتیگراد است.

برای نشان دادن کمبود کربن ۱۴ درجه سانتیگراد در مقایسه با کربن ۱۲ ، این را در نظر بگیرید: یک تریلیون یک میلیون میلیون است. اگر یک تریلیون اسکناس یک دلاری را ردیف کنید، تقریباً از زمین تا خورشید کشیده می شود!

آلوتروپ های کربن

الماس

ساختار:

الماس ساختاری چهار وجهی دارد. هر اتم کربن توسط یک پیوند کووالانسی به چهار اتم کربن دیگر متصل می شود و یک شبکه کریستالی بزرگ را تشکیل می دهد.

موارد استفاده

مته برای اکتشاف نفت و برش بتن.
جواهرات: الماس های طبیعی خالص تر و گران تر هستند.

ویژگی ها

الماس به دلیل ساختار چهار وجهی یکی از سخت ترین مواد است.
ضریب شکست بالای آن باعث انعکاس نور داخلی می شود و ظاهری درخشان به آن می بخشد.
تمام الکترون های الماس در شبکه پیوند استفاده می شود و آن را به یک رسانای ضعیف الکتریسیته تبدیل می کند.

[wpdatatable id=36]

نکته: برای تبدیل الماس به کربن مذاب، باید آن را تا دمای ۴۰۲۷ درجه سانتیگراد گرم کرد.

گرافیت

ساختار

هر اتم کربن در گرافیت با سه اتم دیگر پیوند کووالانسی دارد و یک الکترون اضافی باقی می‌گذارد. این منجر به ایجاد لایه های مسطح از شش ضلعی ها با دریایی از الکترون های آزاد می شود.

موارد استفاده

نوک مداد.
هسته های راکتور هسته ای برای کنترل واکنش های هسته ای.

ویژگی ها

ساختار لایه مانند آن، گرافیت را نرم و پوسته پوسته می کند و در صورت استفاده به عنوان مداد، آثاری بر روی کاغذ باقی می گذارد.
گرافیت برای استفاده در راکتورهای هسته ای به اندازه کافی سخت است.
گرافیت به دلیل داشتن الکترون های اضافی، رسانای عالی الکتریسیته است.

[wpdatatable id=37]

نکته: برای ذوب گرافیت باید تا دمای ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد گرم شود.

گرافن

ساختار

گرافن یک لایه منفرد است که از گرافیت استخراج می شود، با یک شبکه شش ضلعی که در آن هر کربن به سه کربن دیگر پیوند می خورد و یک الکترون اضافی باقی می گذارد.

موارد استفاده

سلول های خورشیدی شفاف و انعطاف پذیر.
پنجره های هوشمند کنترل کننده انتقال گرما و نور.
نمایشگرهای الکترونیکی

ویژگی ها

الکترون های اضافی گرافن آن را به یک رسانای عالی الکتریسیته و گرما تبدیل می کند.

نکته: یک ورقه گرافن به اندازه یک زمین فوتبال ۱ گرم وزن دارد.

فولرین ها

ساختار

Buckminsterfullerene (C60) ساختاری کروی با ۶۰ اتم کربن دارد که به صورت ۲۰ شش ضلعی و ۱۲ پنج ضلعی چیده شده اند که شبیه توپ فوتبال است.

موارد استفاده

صنعت دارو (به طور بالقوه) – بسیاری از محققان در حال حاضر روی این موضوع کار می کنند.

ویژگی ها

باکمینسترفولرن(Buckminsterfullerene ) دارای نیروهای بین مولکولی ضعیف است و در نتیجه نقطه ذوب پایینی دارد.
فولرن ها دارای دریایی از الکترون های آزاد در داخل هستند که به آنها اجازه می دهد الکتریسیته را هدایت کنند.

نکته: فولرن‌های دیگری مانند C70، بیضی‌ها و لوله‌ها نیز وجود دارند.

کربن و نانو تکنولوژی

در حالی که آلوتروپ های کربن مانند گرافیت و الماس برای قرن ها شناخته شده اند، اکتشافات جدیدتر مانند نانولوله های کربنی، گرافن و باکمینسترفولرن(Buckminsterfullerene ) نقش مهمی در پیشرفت فناوری نانو ایفا کرده اند.

گرافن

توضیحات: یک ورق منفرد از اتم های کربن که در یک الگوی شش ضلعی چیده شده اند و هر اتم کربن به سه اتم دیگر متصل است.
اهمیت: اساسی در توسعه فناوری نانو.

نانولوله های کربنی

توضیحات: لوله های ساخته شده از ورقه گرافن. نانولوله های کربنی تک جداره دارای تغییراتی مانند انتهای بسته هستند، در حالی که نانولوله های کربنی چند جداره با نورد ورقه های گرافن ساخته می شوند و چندین لایه ایجاد می کنند.
اهمیت: ساختارهای همه کاره با کاربرد در زمینه های مختلف فناوری نانو.

باکمینسترفولرن (Buckminsterfullerene )

توضیحات: Buckminsterfullerene که به عنوان باکی بال نیز شناخته می شود، معمولاً از ۶۰ اتم کربن تشکیل شده است که به یکدیگر متصل شده و ساختاری کروی با ۲۰ وجه شش ضلعی و ۱۲ وجه پنج ضلعی را تشکیل می دهند.
اهمیت: نقش مهمی در پیشرفت های فناوری نانو ایفا می کند.

این آلوتروپ های کربن، با ساختار منحصر به فرد خود، به کاربردها و نوآوری های متنوع در حوزه فناوری نانو کمک می کنند.

کاربرد های کربن

شیمی آلی و معدنی

شیمی آلی بر مطالعه کربن عنصری و ترکیبات آن تمرکز دارد. این شامل ایجاد پیوند بین اتم های کربن، ایجاد زنجیره های کربنی طولانی مانند پروتئین ها و هیدروکربن ها است. پایداری کربن به آن اجازه می دهد تا با عناصر مختلف ترکیب شود و پلاستیک، دارو، افزودنی های غذایی و مواد شوینده تولید کند. سه آلوتروپ کربن – الماس، گرافیت و فولرن – اشکال فیزیکی متفاوتی از یک عنصر را نشان می‌دهند.

شیمی معدنی

کربن نقش حیاتی در شیمی معدنی ایفا می کند و به آلیاژهایی مانند فولاد کربنی کمک می کند که به طور گسترده در ساخت و ساز و ساخت استفاده می شود. تطبیق پذیری آن باعث می شود که کربن در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی یکپارچه شود.

کربن فعال

کربن تصفیه شده، معروف به کربن فعال، بسیار متخلخل می شود و در فرآیندهای تصفیه شیمیایی کاربرد دارد. کربن فعال که از منابعی مانند پوسته نارگیل مشتق شده است در فیلترهای آب، فرآوری مواد غذایی، کنترل آلودگی و حذف سموم پزشکی استفاده می شود.

کربن در رنگدانه

کربن سیاه، پودری که از احتراق ناقص به دست می‌آید، رنگدانه‌هایی مانند ریمل، جوهر چاپگر و رنگ‌ها. این ماده هم خاصیت رسانایی و هم غیر رسانایی را برای رنگ ها به همراه افزایش پایداری اشعه ماوراء بنفش فراهم می کند.

گرافیت

گرافیت، متشکل از لایه‌های گرافن روی هم، شکل پایدار کربن است. این به طور طبیعی در سرب های مدادی، باتری ها، لامپ ها، روان کننده ها، پولیش ها و راکتورهای هسته ای وجود دارد و استفاده می شود.

راکتورهای هسته ای تعدیل شده با گرافیت

در راکتورهای هسته ای، گرافیت نوترون های متوسط را مسدود می کند، واکنش هسته ای را حفظ می کند و امکان استفاده از اورانیوم طبیعی را فراهم می کند. بلوک های گرافیتی با تسهیل حذف گرما به ایمنی کمک می کنند و میله های کنترل را برای خاموش کردن راکتورها در خود جای می دهند.

ترکیبات شیمیایی کربن

پیوندهای مختلف کربن

کربن عمدتاً با اتم های دیگر پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند. هنگامی که با دیگر اتم های کربن پیوند برقرار می کند، پیوندهای کووالانسی غیرقطبی و با نافلزات و متالوئیدها، پیوندهای کووالانسی قطبی ایجاد می کند. گاهی اوقات، کربن حتی می تواند پیوندهای یونی ایجاد کند، مانند پیوند بین کلسیم و کربن موجود در کاربید کلسیم، CaC2.

کربن معمولاً چهار ظرفیتی است و حالت اکسیداسیون آن ۴+ یا ۴- است، اما می‌تواند حالت‌های دیگری مانند +۳، +۲، +۱، ۰، -۱، -۲ و -۳ نیز داشته باشد. در برخی موارد، کربن حتی می تواند شش پیوند ایجاد کند، مانند هگزا متیل بنزن.

در حالی که ترکیبات کربن معمولاً به عنوان آلی یا معدنی طبقه بندی می شوند، ترکیبات زیادی وجود دارد که منجر به تقسیمات فرعی بیشتر می شود.

آلوتروپ های کربن

آلوتروپ ها اشکال مختلف یک عنصر هستند و کربن چندین مورد مهم از جمله کربن آمورف، الماس، گرافیت، گرافن و فولرن ها دارد. اگرچه همه اینها اشکال یک عنصر هستند، اما خواص بسیار متفاوتی دارند.

ترکیبات آلی

ترکیبات آلی در ابتدا به عنوان ترکیبات کربنی که منحصراً توسط موجودات زنده تشکیل شده بودند تعریف می شدند. اکنون، بسیاری از آنها را می توان در آزمایشگاه سنتز کرد یا متمایز از موجودات زنده یافت. یک ترکیب آلی باید حداقل حاوی کربن باشد و اکثر شیمیدانان موافق هستند که هیدروژن نیز باید وجود داشته باشد. به عنوان مثال می توان به کربوهیدرات ها، لیپیدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک اشاره کرد.

ترکیبات معدنی

ترکیبات غیر آلی ممکن است به طور طبیعی یا در آزمایشگاه ساخته شوند. به عنوان مثال می توان به اکسیدهای کربن (CO و CO2)، کربنات ها (به عنوان مثال، CaCO3)، اگزالات ها (به عنوان مثال، BaC2O4)، سولفیدهای کربن (به عنوان مثال، دی سولفید کربن، CS2)، ترکیبات کربن-نیتروژن (به عنوان مثال، سیانید هیدروژن، HCN)، هالیدهای کربن اشاره کرد. و کربوران ها

ترکیبات آلی فلزی

ترکیبات آلی فلزی حداقل یک پیوند کربن و فلز دارند. به عنوان مثال می توان به سرب تترااتیل، فروسن و نمک زایس اشاره کرد.

آلیاژهای کربن

برخی از آلیاژها مانند فولاد و چدن حاوی کربن هستند. فلزات “خالص” نیز ممکن است حاوی کربن در هنگام ذوب با کک باشند. به عنوان مثال می توان به آلومینیوم، کروم و روی اشاره کرد.

نام ترکیبات کربن

دسته های خاصی از ترکیبات دارای نام های خاصی هستند که ترکیب آنها را نشان می دهد، مانند کاربیدها، کربن هالیدها و کربن ها.

خواص ترکیبات کربن

ترکیبات کربن ویژگی های مشترکی دارند، مانند واکنش پذیری کم در دمای معمولی اما واکنش های شدید هنگام گرم شدن. بسیاری از آنها غیر قطبی هستند و حلالیت کمی در آب دارند. ترکیبات کربن و نیتروژن ممکن است مواد منفجره خوبی بسازند و اغلب بوهای مشخصی دارند.

موارد استفاده از ترکیبات کربن

استفاده از ترکیبات کربن بسیار زیاد است، از جمله پلاستیک، آلیاژ، رنگدانه، سوخت و غذا. زندگی همانطور که می شناسیم بر کربن متکی است و اکثر محصولات حاوی این عنصر ضروری هستند.

کربن آبی

کربن آبی به کربنی اطلاق می شود که توسط اقیانوس های زمین و اکوسیستم های ساحلی جدا شده است. زیستگاه های مختلف ساحلی مانند علف های دریایی، حرا و باتلاق های نمکی نقش بسیار موثری در ذخیره سازی دی اکسید کربن (CO2) دارند. در مقایسه با محیط‌های دیگر، مانند جنگل‌ها، این سیستم‌های ساحلی کربن را با سرعت بسیار بیشتری جذب و حفظ می‌کنند و می‌توانند این فرآیند را برای میلیون‌ها سال حفظ کنند. کربن موجود در خاک مناطق ساحلی اغلب هزاران سال قدمت دارد. متأسفانه، هنگامی که این اکوسیستم ها توسط اقدامات انسانی آسیب می بینند یا مختل می شوند، مقدار قابل توجهی کربن به اتمسفر باز می گردد که به طور قابل توجهی به موضوع مداوم تغییرات آب و هوایی کمک می کند.