Kull i kullgruve. Av /iStockphoto. Begrenset gjenbruk

karbon

Bilete 1. Buckminsterfullerenmolekylet og ein fotball
Buckminsterfulleren og ei fotball

Bilete 2. Ein bit kol.

Artikkelstart

Karbon er eit grunnstoff. Det er eit ikkje-metall som tidlegare vart kalla kolstoff på norsk, då det er det grunnstoffet det er mest av i kol. Namnet karbon kjem frå latin carbo, som tyder «kol». Atomsymbolet er C og atomnummeret er 6.

Faktaboks

Uttale
karbˈon
Etymologi
av latin ‘kol’
Også kjent som

Atomsymbol C, atomnummer 6. Carbon (engelsk), kohlenstoff (tysk), kol (svensk).

Karbon står først i gruppe 14 i periodesystemet.

Grafitt, kol og diamant er former av karbon som finst i naturen og som har vore kjent sidan oldtida. Petroleum (råolje og naturgass) består av hydrokarbon. Karbonsambindingar er òg sentrale i alle livsvitskapane. Organiske sambindingar er karakteriserte ved at dei inneheld karbon.

Karbonbindingar

Karbon har 6 proton og 6 nøytron i kjernen, og 6 elektron som svirrar rundt. Elektrona til karbonatomet er fordelte på to skal. På alle atom har skalet som er inst, plass til 2 elektron. Det neste skalet kan fyllast opp med 8 elektron. Karbonatomet bruker berre fire av desse åtte plassane. Det har altså fire «ledige» plassar i det yste skalet, noko som gjer at karbon kan danne ulike kjemiske sambindingar med andre grunnstoff.

Karbonatomet bind seg til andre atom ved elektronparbindingar. Atoma går saman og deler på elektrona i det yste skalet, slik at alle atoma får fulle skal. Svært mange av dei andre grunnstoffa i det periodiske systemet kjenner seg tiltrekt av karbon.

Karbonatom kan danne ulike strukturar:

  • Kjeder og ringjer der kvart karbonatom er bunde til to andre karbonatom
  • Plane nett der kvart karbonatom er bunde til tre andre karbonatom
  • Tredimensjonale strukturar der kvart karbonatom er bunde til fire andre karbonatom

Forklaringa på kvifor karbon kan danne så mange ulike bindingar ligg i korleis dei ytste elektrona i eit karbonatom er fordelte. Det er fire ytterelektron i eit karbonatom, og dei ligg i eit elektronskal som er halvfullt.

Stoff som berre består av 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.

Karbonsambindingar med andre grunnstoff

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.

Kjemiske eigenskapar

Rein grafitt og diamant er utan lukt og smak og er uløselig i alle vanlege løysemiddel, mellom anna vatn, bensin, alkohol, fortynna syrar og basar. Fullerenene er derimot lauslege i til dømes heksan og toluen.

Karbon er lite reaktivt ved vanlege temperaturar, men reagerer med dei fleste andre grunnstoff ved høge temperaturar. Med oksygen blir danna, avhengig av oksygenmengd og temperatur, anten karbonmonoksid, CO, eller karbondioksid, CO2. Tendensen karbonet har til å danne oksid gjer karbon til eit godt reduksjonsmiddel av metalloksid.

Karbon blir nytta i form av kol og koks til å framstille metall som jern, kopar, bly, sink, med fleire, ved reduksjon av dei respektive oksida. Ved desse reaksjonane blir først danna karbonmonoksid. Karbon reagerer med vassdamp under danning av karbonmonoksid, karbondioksid og hydrogengass:

C(s) + H2O(g) ⇋ CO(g) + H2(g)

eller

CO(g) + H2O(g) ⇋ CO2(g)+ H2(g)

Førekomst

Karbon finst i naturen som diamant og grafitt, og i kosmos truleg òg i form av fulleren-varianter. Kol av ulikt slag (antrasitt, steinkol, brunkol) består òg hovudsakleg av karbon. I petroleum (råolje og naturgass) ligg karbon kjemisk bunde, hovudsakleg med hydrogen. Petroleum og kol er danna av plantar og marine dyr ved langsam ròte og oppvarming utan lufttilførsel.

I plante- og dyreriket er karbon ein vesentleg bestanddel av alle organismar, og finst der i form av talrike organiske sambinding (karbohydrat, protein, feitt med fleire). Menneskekroppen består av cirka 17 vektprosent karbon.

Det totale karboninnhaldet i plantar og dyr blir anslått til 270 milliardar tonn. Karbon inngår òg i fleire mineral, for det meste karbonat (til dømes kalkstein, CaCO3). Til saman utgjer karbon 0,032 vektprosent av jordskorpa. Luft inneheld 0,04 volumprosent karbondioksid, og innhaldet er aukande.

Vatn løyser store mengder karbondioksid, i form av CO2 og HCO3. Det gjennomsnittlege karboninnhaldet i havvatn er 0,005 vektprosent, som svarar til eit totalt karboninnhald på 27 000 milliardar tonn.

Karbon i organisk materie

Karbon har ei sentral rolle i fotosyntesen, den viktigaste kjemiske reaksjonen for liv på jorda. Alt liv er dermed avhengig av karbon. Dette grunnstoffet finst mellom anna i atmosfæren, i jordskorpa, i menneskekroppen og i alle levande organismar. Karbon har ei viktig rolle i alle kjemiske sambindingar som vi assosierer med liv.

Karbon er med i nesten i alle prosessane som skjer i kroppen. Stoffet er ein sentral del av DNA, protein, feitt og karbohydrat. Alle levande organismar er bygde opp av desse «livsmolekyla». Glukose er eit karbohydrat som kroppen vår bruker til å lage energi. Karbohydrat er bygd opp av karbon, oksygen og hydrogen.

Karbonisotopar

Naturleg forekommande karbon består av to stabile isotopar: 12C (98,89 prosent) og 13C (1,11 prosent), og éin radioaktiv isotop: 14C (10–10 prosent). Atommasseeininga u er definert ut frå isotopen 12C, som er sett til nøyaktig lik 12 u, og massen av alle andre isotopar er gitt ut frå denne massen.

Det er kjent ni framstilte, radioaktive karbonisotopar. Isotopen 14C, som har halveringstid på 5736 år, er av særleg interesse, fordi han blir brukt både som radioaktivt sporgrunnstoff og til aldersfastsetjing av karbonholdig materiale. 14C blir danna i den øvre delen av atmosfæren ved at nøytron frå kosmisk stråling bombarderer nitrogenatom:

14N + 1n = 14C + 1H

Ved reaksjon med oksygen dannar 14C-isotopen 14CO2. Dette «merka» karbondioksidet blir oppteke av plantar og tre saman med vanleg karbondioksid. Ved å måle kor stor delen av 14CO2 er, kan alderen av plantane og trea blir bestemde. For fleire detaljar, sjå aldersfastsetjing.

Diamant

Bilete 3. Utsnitt av strukturen av diamant. Kvar kule er eit karbonatom.

Strukturen av diamant

Eigenskapar

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).

Bruk

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.

Grafitt

Bilete 4. Strukturen av grafitt. Alle kulene er karbonatom.
Strukturen av grafitt

Eigenskapar

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.

Typar

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.

Framstilling

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.

Bruk

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.

Karbon

Kjemisk symbol C
Atomnummer 6
Atomvekt 12,011
Smeltepunkt 3400 °C (grafitt, subl.pkt.)
Kokepunkt -
Tettleik 2,22 g/mL(grafitt)
Oksidasjonstal -IV, II, VI
Elektronkonfigurasjon [He]2s22p2

Les meir i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg