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 که برای 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.
ویژگیهای قابل توجه
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.
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.
اشکال مختلف، ( آلوتروپها)
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.