Karbon er et grunnstoff. Det er et ikke-metall som tidligere ble kalt kullstoff på norsk, da det er det grunnstoffet det er mest av i kull. Atomsymbolet er C og atomnummeret er 6.

Karbon  står først i gruppe 14 i periodesystemet.

Grafitt, kull og diamant er former av karbon som finnes i naturen og som har vært kjent siden oldtiden. Petroleum (råolje og naturgass) består av hydrokarboner. Karbonforbindelser er også sentrale i alle livsvitenskapene. Organiske forbindelser er karakterisert ved at de inneholder karbon.

Karbonatomer kan danne kjeder og ringer hvor hvert karbonatom er bundet til to andre karbonatomer, plane nett hvor hvert karbonatom er bundet til tre karbonatomer og tredimensjonale strukturer hvor hvert karbonatom er bundet til fire karbonatomer. 

Forklaringen på hvorfor karbon kan danne så mange forskjellige bindinger ligger i hvordan ytterelektronene i et karbonatom er fordelt. Det er fire ytterelektroner i et karbonatom, og de ligger i et elektronskall som er halvfullt.

I grafén er karbonatomene bundet i et todimensjonalt plant nett. (En makroskopisk analog er hønsenetting.) Grafén ble først fremstilt i 2004 og har vist seg å ha mange interessante egenskaper både mekanisk og elektronisk. De som fremstilte grafén be tildelt Nobelprisen i fysikk i 2010.

I grafitt er disse nettene stablet oppå hverandre (se bilde 4). 

I diamant er hvert karbonatom bundet til fire andre karbonatomer (se bilde 3).

Sot (carbon black) er en amorf form av karbon (se nedenfor). I sot finnes også molekylforbindelser av karbon. De kalles fullerener. Det enkleste er C60buckminsterfulleren, som har form som en europeisk fotball (se bilde 1). De som fant de første fullerenene, ble tildelt Nobelprisen i kjemi1996

En mellomform mellom grafén og fulleren er nanorør, som ble fremstilt første gang i 1991. Også kjegler av karbonatomer er fremstilt.

Karbon har elektronegativitet 2,5, noe som er midt mellom de minst elektronegative grunnstoffene (alkalimetallene), som har elektronegativitet 1,0, og de mest elektronegative grunnstoffene (halogenene), som har elektronegativitet 4,0.

Karbonatomer danner bindinger til de fleste grunnstoffatomer. Det finnes flere forbindelser av karbon enn av noe annet grunnstoff unntatt hydrogen.

Karbon løses i mange metaller (for eksempel jern og titan) i fast tilstand, samt i metallsmelter.

Binære forbindelser av karbon kalles karbider. Det mest kjente eksemplet er kalsiumkarbid, CaC2,som reagerer med vann og gir acetylen.

Med silisium, som er et mer elektronegativt grunnstoff, danner karbon silisiumkarbid SiC som ikke reagerer med vann, er meget hardt og har et høyt smeltepunkt.

Forbindelser hvor ett eller flere karbonatomer er bundet til hydrogenatomer er sentrale i organisk kjemi

Mulige oksidasjonstall for karbon er +II, +IV og –IV. I uorganiske forbindelser som karbonater er +IV det vanligste. Med de mest elektropositive grunnstoffene danner karbon karbider med oksidasjonstall –IV.

Ren grafitt og diamant er uten lukt og smak og er uløselig i alle vanlige løsemidler, blant annet vann, bensin, alkohol, fortynnede syrer og baser. Fullerenene er derimot løselige i for eksempel heksan og toluen.

Karbon er lite reaktivt ved vanlige temperaturer, men reagerer med de fleste andre grunnstoffer ved høye temperaturer. Med oksygen dannes, avhengig av oksygenmengde og temperatur, enten karbonmonoksid, CO, eller karbondioksid, CO2. Karbonets tendens til å danne oksider gjør karbon til et godt reduksjonsmiddel av metalloksider.

Karbon anvendes i form av kull og koks til å fremstille metaller som jernkobberblysink, med flere, ved reduksjon av de respektive oksidene. Ved disse reaksjonene dannes først karbonmonoksid. Karbon reagerer med vanndamp under dannelse av karbonmonoksid, karbondioksid og hydrogengass:

C(s) + H2O(g) ⇋ CO(g) + H2 (g)

eller

CO(g) + H2O(g) ⇋ CO2(g)+ H2(g)

Karbon forekommer i naturen som diamant og grafitt, og i kosmos trolig også i form av fulleren-varianter. Kull av forskjellig slag (antrasitt, steinkull, brunkull) består også hovedsakelig av karbon. I petroleum (råolje og naturgass) foreligger karbon kjemisk bundet, hovedsakelig med hydrogen. Petroleum og kull er dannet av planter og marine dyr ved langsom forråtnelse og opphetning uten lufttilførsel.

I plante- og dyreriket er karbon en vesentlig bestanddel av alle organismer, og finnes der i form av tallrike organiske forbindelser (karbohydrater, proteiner, fett med flere). Menneskekroppen består av ca. 17 vektprosent karbon.

Det totale karboninnholdet i planter og dyr anslås til 270 milliarder tonn. Karbon inngår også i flere mineraler, for det meste karbonater (for eksempel kalkstein, CaCO3). Til sammen utgjør karbon 0,032 vektprosent av jordskorpen. Luft inneholder 0,04 volumprosent karbondioksid, og innholdet er økende. 

Vann løser store mengder karbondioksid, i form av CO2 og HCO3. Det gjennomsnittlige karboninnholdet i havvann er 0,005 vektprosent, svarende til et totalt karboninnhold på 27 000 milliarder tonn.

Naturlig forekommende karbon består av to stabile isotoper12C (98,89 prosent) og 13C (1,11 prosent), og én radioaktiv isotop: 14C (10–10 prosent). Atommasseenheten u er definert ut fra isotopen 12C, som  er satt til nøyaktig lik 12 u, og massen av alle andre isotoper er gitt ut fra denne massen.

Det er kjent 9 fremstilte, radioaktive karbonisotoper. Isotopen 14C, som har halveringstid på 5736 år, er av særlig interesse, fordi den brukes både som radioaktivt sporgrunnstoff og til aldersbestemmelse av karbonholdig materiale. 14C dannes i den øvre delen av atmosfæren ved at nøytroner fra kosmisk stråling bombarderer nitrogenatomer:

14N + 1n = 14C + 1H

Ved reaksjon med oksygen danner 14C-isotopen 14CO2. Dette «merkede» karbondioksidet opptas av planter og trær sammen med vanlig karbondioksid. Ved å måle hvor stor andelen av 14CO2 er, kan alderen av plantene og trærne bestemmes. For flere detaljer, se aldersbestemmelse.

Bilde 3. Utsnitt av strukturen av diamant. Hver kule er et karbonatom.

Strukturen av diamant av Bjørn Pedersen. Gjengitt med tillatelse

Diamant er det hardeste av alle kjente materialer, og har også høyest smeltepunkt (≈ 4000 °C) og termisk konduktans (ledningsevne) av alle grunnstoffer. Tettheten, som er 3,51 g/mL er betydelig større enn for grafitt (2,22 g/mL). Fargeløse, vannklare diamanter med høy glans og brytningsevne er rent karbon. Små mengder av andre stoffer gjør at diamanter kan ha forskjellige farger.

Ved oppvarming i luft til over 800 °C brenner diamant langsomt til CO2. Ved normale trykk og temperaturbetingelser er diamant metastabil i forhold til grafitt. Siden krystallstrukturene er så forskjellige, kreves oppvarming til over 1200 °C (i fravær av luft) for å omdanne diamant til grafitt. Diamant er imidlertid stabil ved høye trykk, og små, kunstige diamanter kan fremstilles industrielt ved å utsette grafitt for høy temperatur (ca. 1750–2000 °C) og høyt trykk (ca. 100 000 atm).

Ca. 5 prosent av diamantene som finnes i naturen egner seg som smykkestener. Andre diamanter fra naturen og kunstig fremstilte diamanter brukes som slipemiddel, borspisser, skjæreverktøy, dysemateriale og annet Se også diamant.

Grafitt leder godt elektrisitet og varme innen lagene. Det er noe mer reaktivt enn diamant, og oksiderer langsomt i luft ved temperaturer over 450 °C. Grafitt brukes som smøremiddel.

Det meste av den grafitten som brukes, er fremstilt kunstig. Alt etter utgangsmaterialer og fremstillingstemperatur fås ulike sorter grafitt: sot, glanskarbon, retortegrafitt, kunstig og pyrolytisk grafitt. Disse finkrystallinske formene av grafitt skiller seg fra hverandre ved partiklenes størrelse og form, krystallenes orientering og grad av ordning mellom de todimensjonale lagene.

Pyrolytisk grafitt fremstilles ved å spalte lavmolekylære hydrokarboner (metan, etan, benzen) ved en grafittoverflate under lave trykk ved ca. 2000 °C. Også den står naturlig grafitt meget nær. I fiberform fås grafitt ved kontrollert forkulling av organiske fiberprodukter etterfulgt av oppvarming til ca. 2500 °C. Pyrolytisk grafitt og fibergrafitt brukes som karbonfibrer.

Retortegrafitt utskilles ved fremstilling av lysgass og koks som tette, faste masser dannet ved spalting av karbonholdige gasser fra oppvarmet steinkull (ca. 1500 °C). Retortegrafitten er meget hard, men har, som grafitt, god elektrisk ledningsevne. Den anvendes til elektroder for galvaniske elementer og som kullstifter for lysbuelamper.

Glanskarbon fremstilles ved å la en lysgass- eller metanflamme brenne mot glatte overflater, for eksempel glasert porselen eller metall som er oppvarmet til ca. 800 °C. Dette gir en metallisk glinsende, meget sprø og kjemisk motstandsdyktig form for karbon som er nesten like hard som diamant. Grafitten består av ytterst små, sammenfiltrede grafittkrystaller med gjennomsnittlig diameter 2 nanometer.

Sot dannes når karbonforbindelser i gassfase forbrenner under utilstrekkelig lufttilførsel. De dannede karbonpartiklene utskilles ved å kjøle flammen mot vannkjølte metallplater og lignende. I tillegg til karbon inneholder sot ofte hydrogen, oksygen og litt svovel. Teknisk viktig er kjønrøk, som fås ved ufullstendig forbrenning av harpiksrike trær, oljesot fra oljelamper (lampesot), naftalensot (av naftalen C10H8), antracensot (av antracen C14H10) og acetylensot (av acetylen C2H2). Videre fremstilles sot, ofte kalt carbon black, ved ufullstendig forbrenning av petroleum. Carbon black anvendes i store mengder til fremstilling av trykksverte, tusj, til farging av lakklær og annet, ved overflatebehandling av stål, i LP-plater og som fyllstoff for gummi, for eksempel i bildekk. Ca. 40 prosent av et bildekks gummimasse er sot. Sotens kvalitet er viktig for dekkets slitestyrke. Ca. 95 prosent av sotproduksjonen går til gummiindustrien.

En mindre ren form for grafitt er aktivt kull. Dette fås ved forholdsvis svak oppvarming av organiske stoffer, som tre, torv, kull, koks, dyriske avfallsstoffer, rørsukker med mer, i nærvær av stoffer som forhindrer sammensintring til grovere partikler, og som dessuten bidrar til å fjerne dannede tjæreprodukter. Det ferdige produktet er porøst med en meget stor «indre overflate». Takket være denne store overflaten har aktivt kull meget stor adsorpsjonsevne. De viktigste anvendelsesområdene er gjenvinning og rensning av gasser og damper, avfargning og fjerning av forurensninger fra løsninger, fjerning av uønsket lukt og smak, i gassmasker, rensing av vann, og i medisinen, sårbehandling og fjerning av skadelige stoffskifteprodukter fra fordøyelseskanalen.

Koks er også et karbonrikt produkt.

Grafittprodukter fremstilles generelt ved spaltning av karbonholdige forbindelser. Hvis dette skjer ved lave temperaturer (ca. 400 °C), blir grafitten utskilt i finfordelt form, med vilkårlig orientering av de små krystallittene og en høyst uordnet grafittstruktur. Dette er særlig tilfellet for sot, trekull og lignende. Høyere temperaturer (ca. 800 °C og mer) fører til større krystallitter, fastere sammenfiltring samt til økt ordning av karbonlagene. Ved ca. 1500 °C fås tette, men fremdeles fullstendig uregelmessig orienterte aggregater av større krystaller (retortegrafitt). Ved enda høyere temperaturer (ca. 2500 °C) fås større krystaller (kunstig grafitt) med tiltagende orientering, der strukturen skiller seg lite fra naturlig grafitt. Fremstillingen av kunstig grafitt skjer nå ved opphetning av koks (petrolkoks) eller antrasitt i form av bakte elektroder i elektriske ovner ved ca. 2700 °C.

Naturlig og kunstig grafitt anvendes til mange tekniske formål. På grunn av sin bestandighet overfor varme og temperaturforandringer, og den gode elektriske og termiske ledningsevnen, anvendes grafitt til fremstilling av digler for smeltning av metaller, som elektroder i elektriske bueovner, ved elektrolytiske prosesser og til andre formål i elektrokjemisk, elektrotermisk og kjemisk industri. Oildag og aquadag er suspensjoner av grafitt i olje, henholdsvis i vann og blir brukt som smøremidler. Grafitt blir også brukt som moderator og reflektor i kjernereaktorer.

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

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.