شرح تصویر:
تصويرِ سه تاج، نمايندۀ سه شكل اصلی اين عنصر در طبيعت و همچنين جايگاه كربن به عنوان «پادشاه» عنصرهای جدول دوره‌ای است.
شکل ظاهری:
كربن خالص به شكل‌های گرافيت، الماس، فولرن‌ها و گرافن وجود دارد.
الماس جامدی بی‌رنگ، شفاف و بلورين و سخت‌ترين مادۀ شناخته‌شده است. گرافيت سياه و براق، اما نرم است. شكل‌های نانو (فولرن‌ها و گرافن) به‌صورت پودرهای گرده‌مانند به رنگ سياه يا قهوه‌ای تيره هستند.
کاربردها:
در ميان عنصرها، كربن به دليل توانايی تشكيل زنجيرهايی از پيوندهای قوی كه با اتم‌های هيدروژن بسته می‌شوند، منحصر به فرد است. اين زنجيرها كه هيدروكربن نام دارند از سوخت‌های فسيلی (زغال‌سنگ، نفت، گاز طبيعی) استخراج و عموماً به عنوان سوخت مصرف می‌شوند. بخشی كوچک، اما بااهميت از هيدروكربن‌ها به عنوان مواد اوليۀ صنايع پتروشيمی در توليد پليمرها، فيبرها، رنگ‌ها، حلال‌ها، پلاستيک‌ها و ... به كار می‌روند.
كربنِ ناخالص به شكل زغال چوب و زغال كوک (از زغال‌سنگ) برای گداختن فلزات استفاده می‌شود و اهميت ويژه‌ای در صنايع آهن و فولاد دارد.
از گرافيت در مدادها، برای ساختن جاروبک در موتورهای الكتريكی و در پوشش كوره‌ها استفاده می‌شود. زغال فعال برای خالص‌سازی و تصفيه کاربرد دارد و در دستگاه‌های تنفس مصنوعی و هودهای آشپزخانه نیز از آن استفاده می‌شود.
فيبر کربن به عنوان ماده‌ای بسيار محکم اما سبک‌وزن كاربردهای بسياری پيدا كرده است و در حال حاضر در راكت تنيس، چوب اسكی، چوب ماهی‌گيری، موشک‌ها و هواپيماها به کار می‌رود.
الماس‌های صنعتی برای بريدن صخره‌‌ها و سوراخ كردن استفاده می‌شود. صفحات الماس برای محافظت سطوحی مانند تيغ‌های ريش‌تراش به كار می‌روند.
كشف نانولوله‌های كربنی، فولرن‌های ديگر و صفحات گرافن به ضخامت يک اتم در توسعه سخت‌افزارهای صنايع الكترونيک و نانوفناوری انقلابی به پا کرده است.
۱۵۰ سال قبل، غلظت طبيعی كربن دی‌اكسيد در جوّ زمين، ۲۸۰ppm بود؛ در سال ۲۰۱۳ میلادی در نتيجۀ احتراق سوخت‌های فسيلی با اكسيژن، مقدار آن به ۳۹۰ppm رسيد. كربن دی‌اكسيد موجود در جوّ نور مرئی را از خود عبور می‌دهد اما مانع از خارج شدن گرمايی می‌شود كه در اثر تابش خورشيد به سطح زمين (به شكل تابش زيرقرمز) ایجاد شده است (اثر گلخانه‌ای طبيعی). اين باعث می‌شود زمين به اندازه‌ای كه به بقای حيات كمك كند، گرم بماند. با اين حال، در اثر فعاليت‌های بشر ميزان كربن دی‌اكسيد در جوّ افزايش يافته و اثر گلخانه‌ای در حال شدید شدن است. تغييرات اقلیمی ناشی از اثر گلخانه‌ایِ تشديدشده بر موجودات زنده تأثیرگذار است.
نقش زیست‌شناختی:
كربن برای حيات ضروری است، زيرا می‌تواند انواع بسيار متنوعی از زنجيرها با طول‌های متفاوت را تشكيل دهد. زمانی تصور می‌شد كه مولكول‌های برپايۀ كربنِ حيات را می‌توان فقط از موجودات زنده به‌دست آورد. در آن زمان فكر می‌كردند كه موجودات زنده يک «جرقۀ زندگی» دارند. با اين حال، در سال ۱۸۲۸ ميلادی با استفاده از واكنش‌دهنده‌های غيرآلی اوره سنتز شد و شاخه‌های آلی و غيرآلیِ شيمی به هم پيوستند.
موجودات زنده تقريباً تمامی كربن مورد نيازشان را از كربن دی‌اكسيدِ موجود در جوّ يا حل‌شده در آب به دست می‌آورند. در فرايند فتوسنتز در گياهان سبز و فيتوپلانكتون‌ها، از انرژی خورشيد برای شكستن آب به اكسيژن و هيدروژن استفاده می‌شود. اكسيژن وارد جوّ، آب‌های شيرين و درياها می‌شود و هيدروژن با كربن دی‌اكسيد تركيب شده و كربوهيدرات‌ها ساخته می‌شوند.
بخشي از كربوهيدرات‌ها همراه با نيتروژن، فسفر و ديگر عنصرها برای ساختن ديگر واحدهای تشكيل‌دهندۀ مولكول‌های حيات (مونومرها) استفاده می‌شود. اين مونومرها عبارتند از بازها و قندها برای RNA و DNA، و آمينو اسيدها برای پروتئين‌ها.
موجودات زنده‌ای كه قادر به فتوسنتز نيستند به ناچار ديگر موجودات زنده را به عنوان منبع مولكول‌های كربنی مصرف می‌كنند. سيستم گوارشی اين موجودات می‌تواند كربوهيدرات‌ها را به مونومرهايی بشكند كه برای ساختن ساختاهاری سلولی خودشان قابل استفاده‌اند. تنفس انرژی مورد نياز برای اين واكنش‌ها را فراهم می‌كند. در تنفس، اكسيژن مجدداً با كربوهيدرات‌ها تركيب می‌شود تا دوباره كربن دی‌اكسيد و آب توليد كند. انرژی آزادشده در اين واكنش در دسترس سلول‌ها قرار می‌گيرد.
فراوانی طبیعی:
كربن در خورشيد و ديگر ستاره‌ها يافت می‌شود که از بقايای يك اَبَرنواَختر پيشين ساخته شده‌اند. در ستاره‌های بزرگ‌تر طی فرايندهای هم‌جوشی هسته‌ای ساخته می‌شود.
كربن در جوّ بسياری از سياره‌ها يافت می‌شود و معمولاً به شكل كربن دی‌اكسيد حضور دارد. روی كرۀ زمين، غلظت كربن دی‌اكسيد در جوّ در حال حاضر ۳۹۰ppm است که این مقدار در حال افزايش است.
گرافيت به‌طور طبيعی در مناطق متعددی از کرۀ زمین يافت می‌شود. الماس در برخی شهاب‌سنگ‌ها به شكل بلورهای ميكروسكوپی يافت می‌شود. الماس‌های طبيعی در كانی كيمبِرليت يافت می‌شود كه معادن آن در روسيه، بوتسوانا، جمهوری كنگو، كانادا و آفريقای جنوبی واقع شده‌اند.
كربن به صورت تركيب در تمام موجودات زنده يافت می‌شود. همچنين در بقايای فسيلی نيز به شكل هيدروكربن (گاز طبيعی، نفت خام، نفت شيل، زغال سنگ، ...) و كربنات‌ها (گچ، آهک، دولوميت، ...) وجود دارد.
در طبيعت، كربن به شكل آنتراسيت (نوعي زغال سنگ)، گرافيت و الماس وجود دارد. شكل‌هايی از کربن كه در گذشته به‌سادگی در دسترس بودند، دوده و زغال چوب بود و در نهايت مشخص شد كه همه اين مواد گوناگون شكل‌های مختلفی از يک عنصرند. تعجب‌آور نيست كه الماس بيش‌ترين سرسختی را برای شناسايی نشان داد. جوزپه آوِرانی (فيلسوف طبيعت‌گرا) و چيپريانو تارجيونی (پزشك فلورانسی) اولين كسانی بودند كه كشف كردند الماس را می‌توان با گرما دادن متلاشی كرد. در سال ۱۶۹۴ ميلادی آن‌ها نور خورشيد را با استفاده از ذره‌بينی بزرگ روی يک الماس متمركز كردند و الماس در نهايت ناپديد شد. پيِر ژوزف مک‌كی و گودفوا ويلتانوز اين آزمايش را در سال ۱۷۷۱ میلادی تكرار كردند. سرانجام در سال ۱۷۹۶ ميلادی، شيمی‌دان انگليسی اسميتسون تِنانت نشان داد كه با سوختن الماس فقط CO2 توليد می‌شود و از این طریق ثابت كرد كه الماس شكلی از كربن است.
|
| ||||
|
|
| انرژی‌های یونش | اول | دوم | سوم | چهارم | پنجم | ششم | هفتم | هشتم |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kJ/mol | ۱۰۸۶/۴۵۴ | ۲۳۵۲/۶۳۱ | ۴۶۲۰/۴۷۱ | ۶۲۲۲/۷۱۶ | ۳۷۸۳۰/۶۴۸ | ۴۷۲۷۷/۱۷۴ | - | - |
حالت‌های اکسایش معمول: ۴ ، ۳ ، ۲ ، ۱ ، ۰ ، ۱- ، ۲- ، ۳- ، ۴-
ایزوتوپ‌ها:
| ایزوتوپ | جرم اتمی | فراوانی طبیعی (٪) | نیمه‌عمر | شیوه واپاشی |
|---|---|---|---|---|
| 12C | ۱۲/۰۰۰ | ۹۸/۹۳ | - | - |
| 13C | ۱۳/۰۰۳ | ۱/۰۷ | - | - |
| 14C | ۱۴/۰۰۳ | - | ۵۷۱۵ سال | -β |
داده‌ها:
W. M. Haynes, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, 95th Edition, Internet Version 2015, accessed December 2014
Tables of Physical & Chemical Constants, Kaye & Laby Online, 16th edition, 1995. Version 1.0 (2005), accessed December 2014
J. S. Coursey, D. J. Schwab, J. J. Tsai, and R. A. Dragoset, Atomic Weights and Isotopic Compositions (version 4.1), 2015, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, accessed November 2016
خواص و کاربردها:
John Emsley, Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, New York, 2nd Edition, 2011
Thomas Jefferson National Accelerator Facility - Office of Science Education, It’s Elemental - The Periodic Table of Elements, accessed December 2014
تاریخچه:
Elements 1-112, 114, 116 and 117 © John Emsley 2012. Elements 113, 115, 117 and 118 © Royal Society of Chemistry 2017
همه عنصرها