کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است ، با نشان C و عدد اتمی 6. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان ، چهارظرفیتی ودارای سه صورت مختلف( آلوتروپی ) می باشد:

  • الماس ( سخت ترین کانی شناخته شده)

  • گرافیت( یکی از نرم ترین مواد)

  • Covalend bound sp1 orbitals are of chemical interest only


فولریت ( فولرینز، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن ، 60 اتم کربن یک لایه گرافیتی با ساختمان 3 بعدی منحنی ، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده) ، تشکیل می دهند .
دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده . این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل ساختمان آن ایزوتروپیک است .

چنین کربنی ایزوتروپیک و مانند شیشه محکم است. لایه های گرافیت آن مانند کتاب مرتب نشده اند ، بلکه مانند کاغذ خرد شده می باشند.

الیاف کربن شبیه کربن شیشه ای می باشند . تحت مراقبتهای خاص ( کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می توان لایه های صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد . هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی گیرد . نتیجه الیافی با استحکام بیشتر از فولاد می باشد .
کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل می دهد.همچنین این غیر فلز ویژگی جالبی دارد که می تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند( تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب ).در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می کند که برای رشد گیاهان ، حیاتی می باشد.در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می آورد که به شکل سوختهای فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را می سازند کهبرای حیات و استر ، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است ، ضروری است.ایزوتوپ C-14 به طور متداول در سن یابی رادیواکتیو کاربرد دارد.

تاریخچه:

کربن ( واژه لاتین carbo به معنی ذغال چوب) در دوران ماقبل تاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آنرا از سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید می کردند ، آشنا بود.( تولید ذغال چوب).مدت طولانی است که الماس بعنوان ماده ای زیبا و کمیاب به حساب می آید. فولرن ،آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه 80 بعنوان محصولات جانبی آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.

ویژگیها:

کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم ترین ( گرافیت ) و یکی از سخت ترین ( الماس) موادر شناخته شده توسط انسان می باشد. بعلاوه کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن ، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می آورد. این خصوصیات باعث شکل گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می سازند و چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تامین می کند.

کربن در اثر انفجار بزرگ( Big Bang) حاصل نشده ، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله ای ذرات آلفا ( هسته اتم هلیم) دارد. جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بود. به هر حال ، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند ، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن تبدیل می کنند ، تولید شد.

کاربردها:

کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت( به برتر پنداری کربن مراجعه کنید).عمده ترین کاربرد اقتصادی کربن ، فرم هیدروکربنها می باشد که قابل توجه ترین آنها سوختهای فسیلی ، گاز متان و نفت خام است.نفت خام در صنایع پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهمترین آنها بنزین ، گازوئیل و نفت سفید بکار می رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست می آیند. از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی ، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده می شوند ، شکل می گیرد.

سایر کاربردها :

  • ایزوتوپ C-14 که در 27 فوریه 1930 کشف شد در سن یابی کربن پرتوزا مورد استفاده است.

  • گرافیت در ترکیب با خاک رس بعنوان مغز مداد بکار می رود.

  • الماس جهت تزئین ونیز در مته ها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد استفاده است کاربرد د ارد.

  • برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه می کنند.

کربن در میله کنترل در رآکتورهای اتمی بکار می رود.

  • گرافیت به شکل پودر و سفت شده بعنوان ذغال چوب برای پخت غذا ،در آثار هنری و موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.

  • قرصهای ذغال چوب در پزشکی که به صورت قرص یا پودر وجود دارند برای جذب سم از دستگاه گوارشی مورد استفاده اند.

خصوصیات ساختمانی و شیمیایی فولرن به شکل ریزتیوب کربن ، کاربردهای بالقوه امیدوار کننده ای در رشته در حال شکل گیری نانوتکنولوژی ذارد.

الوتروپها:

تاکنون چهار شکل مختلف از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف) ، گرافیت ، الماس و فولرن .

کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد.این شکل کربن ، بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ ( دوده ) را تشکیل می دهد.
در فشار معمولی کربن به شکل گرافیت در می آید که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه های شش وجهی- درست مثل هدروکربنهای مطر - به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت ، آلفا (شش ضلعی ) و بتا ( منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی مشابه دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می باشد.گرافیتهای طبیعی شامل بیش از 30% نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می باشند.نوع آلفا از طریق پردازش مکانیکی می تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر حرارت بالای 1000 درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می گردد.

گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه های آن که اغلب بوسیله اتمهای دیگر تفکیک شده اند ، تنها بوسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده اند به گونه ایکه به راحتی یکدیگر را کنار می زنند.

در فشارهای خیلی بالا آلوتروپ کربن به صورت الماس در می آید که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد.الماس ساختار مکعبی همانند سیلیکن و جرمانیم دارد و ( به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بورون ایزوالکترونیک(BN) در کنارهم بوده و سخت تریم جسم از نظر مقاومت در برابر خراشیدگی به شمار می رود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اطاق به قدری کند است که محسوس نمی باشد. در بعضی شرایط کربن به شکل Lonsdaleite متبلور می شود که مشابه الماس ولی شش ضلعی است.
فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخشهای تماماًُ شش ضلعی ، حاوی پنج ضلعیها ( یا احتمالاًُ هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز می باشند که ورقه را به شکل کره ، بیضی یا استوانه بوجود می آوند. خصوصیات فولورین (buckyballs یا buckytubes هم نامیده می شود) هنوز کاملاًُ تجزیه و تحلیل نشده است. کل اسامی فولرین برگرفته از نام Buckminster Fuller ، توسعه دهنده گنبد میله ای می باشد که از ساختارهــــــای buckyballs تقلید کرد.

پیدایش:

تقریبا" ده میلیون ترکیبات کربنی که برای علم شناخته شده اند وجود دارد که هزاران نوع آنها در فرآیندهای حیاتی و واکنشهای آلی بسیار مهم اقتصادی ، ضروری می باشند.این عنصر به مقدار فراوان در خورشید ، ستارگان ، ستاره های دنباله دار و نیز در جو بیشتر سیارات یافت می شود.بعضی از شهاب سنگها حاوی الماسهای میکروسکپی هستند که در زمانیکه منظومه شمسی هنوز یک دیسک گازی شکل بود شکل گرفته اند.کربن به صورت ترکیب با سایر عناصر در جو زمین وجود دارد و در همه گونه آب حل می شود.کربن به همراه مقادیر کمتر کلسیم ، منیزیم و آهن ، عنصر اصلی سازنده جرم زیادی از سنگ کربنات ( سنگ آهک ، دولمیت ، سنگ مرمر و ...) می باشد. این عنصر در صورت ترکیب با هیدروژن تولید ذغال سنگ ، نفت خام و گاز طبیعی می کند که آنها را هیدرو کربن می نامند.
گرافیت به مقدار فراوان در نیویورک و تگزاس ، آمریکا ، روسیه ، مکزیک ، گرینلند و هند یافت می شود.
الماس طبیعی در کیمبرلیت معدنی موجود درچینه ها یا ستونهای سنگهای آذرین یافت می شوند.بیشترین الماس در آفریقا بویژه آفریقای جنوبی ، نامیبیا ، بوتسوانا ، جمهوری کنگو و سیرالئون وجود دارد. همچنین کانادا ، قسمتهای قطبی روسیه ، برزیل و بخشهای غربی و شرقی استرالیا دارای الماس می باشد.

ترکیبات
غیر آلــــــــی:

معروف ترین اکسید کربن ، دی اکسید کربن ( CO2) است که به مقدار کمتری در اتمسفر زمین وجود دارد . این اکسید توسط موجودات زنده ، و برخی موارد دیگر تولید شده و مورد استفاده قرار می گیرد. آب مقدار کمی اسید کربنیک تولید می کند اما دی اکسید کربن مانند بیشتر ترکیباتی که دارای پیوندهای ساده چندگانه با اکسیژنهای روی یک کربن هستند، ناپایدار است . به هر حال ، از طریق این واسطه، یونهای کربنات با تشدید تثبیت شده ، بوجود می آیند. تعدادی از مواد معدنی مهم ، کربناتها هستند که معروف ترین آنها کلسیت است. دی سولفید کربن ، (2 CS) ، هم مانند آن می باشد.
اکسیدهای دیگر آن، مونوکسید کربن (CO) و زیرکسید (suboxide) نادر C3O2 هستند. مونوکسید کربن که گازی بی رنگ و بی بو است بوسیله اکسیده شدن ناقص بوجود می آید. هر یک از این مولکولها دارای یک پیوند سه گانه و نسبتاً قطبی هستند که ناشی از تمایل به یک پیوند دائمی با مولکولهای هموگلوبین می باشد به طوریکه این گاز بسیار سمی است. سیانید (CN-) دارای ساختار و رفتاری بسیار شبیه به یون هالید بوده و نیترید سیانوژن (CN2) نیز به آن مربوط است .

کربن با فلزات قوی ، کاربید C- , و یا استیلید C22- ; بوجود می آورد که با متان و استیلن همراه بوده و هر دوی آنها اسیدهای به طور باور نکردنی پائتیک اسید هستند. در کل ،کربن با الکترو نگاتیوی 5/2 به تشکیل پیوندهای کووالانسی تمایل دارد. تعداد کمی از کاربیدها مثل کربوراندوم و Sic ، که شبیه الماس می باشند ، بصورت شبکه های کوالانسی هستند.

ایزوتوپها:

اتحادیه بین المللی شیمی کابردی و محض در سال 1961 ایزوتوپ کربن- 12 را برای اوزان اتمی اتخاذ کرد.کربن- 14 رادیوایزوتوپی است با نیمه عمر 5715 سال و برای تاریخ یابی رادیو کربن چوب ، نقاط باستان شناسی و نمونه ها کاربرد بسیار زیادی دارد.
کربن دارای دو ایزوتوپ پایدار طبیعی می باشد: (C-12(%98.89 و C-13(%1.11) .نسبت این ایزوتوپها در ؟ به نسبت الگوی VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite from the Peedee Formation of South Carolina).
d)) C-13 در اتمسفر 7 - ؟ است است. هنگام ((فتوسنتز، کربنی که در بافت گیاه تثبیت می شود ، به طور قابل ملاحظه ای به C-13 موجود در جو بستگی دارد.

دو حالت برای توزیع مقادیر dC-13 در گیاهان خشکی وجود دارد که ناشی از تفاوتهایی است که گیاهان در واکنشهای فتوسنتز بکار می برند.بیشتر گیاهان خشکی ، گیاهان مسیر C3 هستند و دارای ارزشهای dC-13 بوده که بین 24- و 34- قرار دارند(؟). دومین گروه از گیاهان ( گیاهان مسیر C4 ) می باشند که ترکیبی از گیاهان آبی ، صحرایی ، شوراب زار و مرغزارهای استوایی هستند ، و دارای ارزشهای dC-13 بین 6- و 19- می باشند. یک گروه واسطه «CAM plants) ، متشکل از جلبک و گلسنگ ، دارای ارزشهای dC-13 می باشد که بین 12- و 23- ؟ هستند. dC-13 گیاهان و موجودات زنده اطلاعات مفیدی درباره مواد مغذی و ارتباطات شبکه غذایی ارائه می کند.

هشدارها :