karbon

I grafén er karbonatoma bunde i eit todimensjonalt plant nett. (Ein makroskopisk analog er hønsenetting.) Grafén vart først framstilt i 2004 og har vist seg å ha mange interessante eigenskapar både mekanisk og elektronisk. Dei som framstilte grafén vart tildelt Nobelprisen i fysikk i 2010.

I grafitt er desse netta stabla oppå kvarandre (sjå bilete 4).

I diamant er kvart karbonatom bunde til fire andre karbonatom (sjå bilete 3).

Sot (carbon black) er ei amorf form av karbon (sjå nedanfor). I sot finst òg molekylsambindingar av karbon. Dei blir kalla fullerener. Det enklaste er C₆₀, buckminsterfulleren, som har form som ein europeisk fotball (sjå bilete 1). Dei som fann dei første fullerenane, vart tildelt Nobelprisen i kjemi i 1996.

Ei mellomform mellom grafén og fulleren er nanorør, som vart framstilt første gong i 1991. Også kjegler av karbonatom er framstilt.

Karbon har elektronegativitet 2,5, noko som er midt mellom dei minst elektronegative grunnstoffa (alkalimetalla), som har elektronegativitet 1,0, og dei mest elektronegative grunnstoffa (halogena), som har elektronegativitet 4,0.

Karbonatom dannar bindingar til dei fleste grunnstoffatom. Det finst fleire sambinding av karbon enn av noko anna grunnstoff, unnateke hydrogen.

Karbon blir løyst i mange metall (til dømes jern og titan) i fast tilstand, og dessutan i metallsmeltar.

Binære sambinding av karbon blir kalla karbidar. Det mest kjende dømet er kalsiumkarbid, CaC₂,som reagerer med vatn og gir acetylen.

Med silisium, som er eit meir elektronegativt grunnstoff, dannar karbon silisiumkarbid, SiC, som ikkje reagerer med vatn, er svært hardt og har eit høgt smeltepunkt.

Sambindingar der eitt eller fleire karbonatom er bunde til hydrogenatom er sentrale i organisk kjemi.

Moglege oksidasjonstal for karbon er +II, +IV og –IV. I uorganiske sambindingar, som karbonat, er +IV det vanlegaste. Med dei mest elektropositive grunnstoffa dannar karbon karbidar med oksidasjonstal –IV.

Diamant er det hardaste av alle kjende materiale, og har òg høgast smeltepunkt (≈ 4000 °C) og termisk konduktans (leidningsevne) av alle grunnstoff. Tettleiken, som er 3,51 gram per milliliter (g/mL) er betydeleg større enn for grafitt (2,22 g/mL). Fargelause, vassklare diamantar med høg glans og brytingsevne er reint karbon. Små mengder av andre stoff gjer at diamantar kan ha ulike fargar.

Ved oppvarming i luft til over 800 °C brenn diamant langsamt til CO₂. Ved normale trykk og temperaturvilkår er diamant metastabil i forhold til grafitt. Sidan krystallstrukturane er så ulike, krevst oppvarming til over 1200 °C (i fråvær av luft) for å gjere om diamant til grafitt. Diamant er likevel stabil ved høge trykk, og små, kunstige diamantar kan framstillast industrielt ved å utsetje grafitt for høg temperatur (cirka 1750–2000 °C) og høgt trykk (omtrent 100 000 standard atmosfærar, atm).

Rundt fem prosent av diamantane som finst i naturen eignar seg som smykkesteinar. Andre diamantar frå naturen og kunstig framstilte diamantar blir brukt som slipemiddel, borspisser, skjereverktøy, dysemateriale og anna.

• Les meir om diamant.

Grafitt leier godt elektrisitet og varme innan laga. Det er litt meir reaktivt enn diamant, og oksiderer langsamt i luft ved temperaturar over 450 °C. Grafitt blir brukt som smørjemiddel.

Det meste av den grafitten som blir brukt, er framstilt kunstig. Alt etter utgangsmateriale og framstillingstemperatur blir fått ulike sortar grafitt: sot, glanskarbon, retortegrafitt, kunstig og pyrolytisk grafitt. Desse finkrystallinske formene av grafitt skil seg frå kvarandre ved storleiken og forma til partiklane, orienteringa og grada til krystallane av ordning mellom dei todimensjonale laga.

Pyrolytisk grafitt blir framstilt ved å spalte lågmolekylære hydrokarbon (metan, etan, benzen) ved ei grafittoverflate under låge trykk ved cirka 2000 °C. Også den står naturleg grafitt svært nær. I fiberform får ein grafitt ved kontrollert forkoling av organiske fiberprodukt følgd av oppvarming til omtrent 2500 °C. Pyrolytisk grafitt og fibergrafitt blir brukt som karbonfibrar.

Retortegrafitt utskiljes ved framstilling av lysgass og koks som tette, faste massar danna ved spalting av karbonholdige gassar frå oppvarma steinkol (cirka 1500 °C). Retortegrafitten er svært hard, men har, som grafitt, god elektrisk leidningsevne. Den blir nytta til elektrodar for galvaniske element og som kolstiftar for lysbogelampar.

Glanskarbon blir framstilt ved å la ein lysgass- eller metanflamme brenne mot glatte overflater, til dømes glasert porselen eller metall som er oppvarma til rundt 800 °C. Dette gir ein metallisk glinsande, svært sprø og kjemisk motstandsdyktig form for karbon som er nesten like hard som diamant. Grafitten består av ytst små, samanfiltra grafittkrystallar med gjennomsnittleg diameter 2 nanometer.

Sot blir danna når karbonsambinding i gassfase forbrenn under utilstrekkeleg lufttilførsel. Dei danna karbonpartiklane utskiljes ved å kjøle flammen mot vasskjølte metallplater og liknande. I tillegg til karbon inneheld sot ofte hydrogen, oksygen og litt svovel. Teknisk viktig er kjønrøk, som blir fått ved ufullstendig forbrenning av harpiksrike tre, oljesot frå oljelamper (lampesot), naftalensot (av naftalen C₁₀H₈), antracensot (av antracen C₁₄H₁₀) og acetylensot (av acetylen C₂H₂). Vidare blir framstilt sot, ofte kalla carbon black, ved ufullstendig forbrenning av petroleum. Carbon black blir nytta i store mengder til framstilling av trykksverte, tusj, til farging av lakkle og anna, ved overflatebehandling av stål, i LP-plater og som fyllstoff for gummi, til dømes i bildekk. Rundt 40 prosent av gummimassen i eit gummidekk er sot, då kvaliteten på soten er viktig for slitestyrken til dekket. Cirka 95 prosent av sotproduksjonen går til gummiindustrien.

Ei mindre rein form for grafitt er aktivt kull. Dette blir fått ved forholdsvis svak oppvarming av organiske stoff, som tre, torv, kol, koks, dyriske avfallsstoff, rørsukker med meir, i nærvær av stoff som forhindrar samansintring til grovare partiklar, og som dessutan bidreg til å fjerne danna tjæreprodukt. Det ferdige produktet er porøst med ein svært stor «indre overflate». Takka vere denne store overflata har aktivt kull svært stor adsorpsjonsevne. Dei viktigaste anvendelsesområdene er gjenvinning og reinsing av gassar og dampar, avfargning og fjerning av forureiningar frå løysingar, fjerning av uønskt lukt og smak, i gassmasker, reinsing av vatn, og i medisinen, sårbehandling og fjerning av skadelege stoffskifteprodukt frå fordøyingskanalen.

Koks er òg eit karbonrikt produkt.

Grafittprodukt blir framstilte generelt ved spaltning av karbonholdige sambinding. Viss dette skjer ved låge temperaturar (cirka 400 °C), blir grafitten utskilt i finfordelt form, med vilkårleg orientering av dei små krystallittene og ein høgst uordna grafittstruktur. Dette er særleg tilfellet for sot, trekol og liknande. Høgare temperaturar (cirka 800 °C og meir) fører til større krystallitter, fastare samanfiltring og dessutan til auka ordning av karbonlaga. Ved omtrent 1500 °C blir fått tette, men framleis fullstendig uregelmessig orienterte aggregat av større krystall (retortegrafitt). Ved endå høgare temperaturar (rundt 2500 °C) blir fått større krystall (kunstig grafitt) med tiltakande orientering, der strukturen skil seg lite frå naturleg grafitt. Framstillinga av kunstig grafitt skjer no ved opphetning av koks (petrolkoks) eller antrasitt i form av bakte elektrodar i elektriske omnar ved cirka 2700 °C.

Naturleg og kunstig grafitt blir nytta til mange tekniske formål. På grunn av sin bestandighet overfor varme og temperaturforandringar, og den gode elektriske og termiske leidningsevna, blir nytta grafitt til framstilling av diglar for smeltning av metall, som elektrodar i elektriske bogeomnar, ved elektrolytiske prosessar og til andre formål i elektrokjemisk, elektrotermisk og kjemisk industri. Oildag og aquadag er suspensjonar av grafitt i olje, høvesvis i vatn og blir brukt som smørjemiddel. Grafitt blir òg brukt som moderator og reflektor i kjernereaktorar.