Karbon, er et grunnstoff som tidligere ble kalt kullstoff på norsk da det er det grunnstoffet det er mest av i kull.

Atomsymbol C, atomnummer 6 og i grunnstoffenes periodesystem står karbon øverst i gruppe 14.

Grafitt og diamant er allotrope former av karbon som finnes i naturen. Petroleum (råolje og naturgass) består av hydrokarboner. Karbonforbindelser er også sentrale i alle livsvitenskapene

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 (i hvert av skiktene i grafitt se figur i margen) og tredimensjonale strukturer hvor hvert karbonatom er bundet til fire karbonatomer (i diamant se figur nedenfor i margen).

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. Mer presist: C-atomet har elektronkonfigurasjon [He]2s22p2.

Utsnitt av strukturen av diamant. Alle kulene er et karbonatom. av Bjørn Pedersen. Gjengitt med tillatelse

grafitt og diamant har vært kjent siden oldtiden.

I diamant er hvert karbonatom bundet til fire andre karbonatomer se figuren i margen.

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 opp på hverandre. Strukturen er vist i margen.

 sot (carbon black) er en amorf form av karbon. Fra sot kan man fremstille molekylforbindelser av karbon. De kalles fullerener. Det enkleste er C60buckminsterfulleren, som har form som en europeisk fotball (se figuren nedenfor i margen). De som fremstilte de første fullerenene ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1996. For mer detaljer om disse molekylforbindelsene av karbon se fullerener.

En mellomform mellom grafén og fulleren er nanorør fremstilt første gang i 1991. Også kjegler av karbonatomer kan fremstilles.

Karbon har elektronegativitet 2,5 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 er flere forbindelser av karbon enn av noe annet grunnstoff unntatt hydrogen.

Karbon løses i mange metaller (f.eks. 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 mere elektronegative grunnstoffer som silisium danner karbon silisiumkarbid SiC som ikke reagerer med vann, er meget hardt og har et høyt smeltepunkt.

Forbindelser hvor en 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 grunnstoffer danner karbon karbider med oksidasjonstall –IV.

Ren grafitt og diamant er uten lukt og smak og er uløselig i alle vanlige løsemidler, f.eks. vann, bensin, alkohol, fortynnede syrer og baser. Fullerenene er derimot løselige i f.eks. 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, m.fl. ved reduksjon av de respektive oksider. 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, 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, se petroleum.

I plante- og dyreriket er karbon en vesentlig bestanddel av alle organismer og finnes der i form av tallrike organiske forbindelser (karbohydrater, proteiner, fett m.fl.). Mennesket 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 (f.eks. kalkstein, CaCO3). Til sammen utgjør karbon 0,032 vektprosent av jordskorpen. Luft inneholder 0,04 volumprosent CO2 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 isotoper 12C (98,89 %) og 13C (1,11 %) 12C) og en radioaktiv isotop (14C (10–10 %). Massen av isotopen 12C  er satt nøyaktig lik 12,0000 og massen av alle andre isotoper er gitt i forhold til denne massen.

Det er kjent 9 fremstilte, radioaktive isotoper. Isotopen 14C med halveringstid 5736 år er av særlig interesse pga. sin bruk som radioaktivt sporgrunnstoff og for 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  isotopen 14C 14CO2. Innholdet av slik merket karbondioksid opptas av planter og trær og ved å bestemme hvor stort innholdet er kan alderen av plantene og trærne bestemmes. For flere detaljer se aldersbestemmelse.

Diamant er det hardeste av alle kjente materialer og har høyest smeltepunkt (≈ 4000 °C) og termisk konduktans (ledningsevne) av alle grunnstoffer. Tettheten. 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 % av diamantene som finnes i naturen egner seg som smykkestener. Andre diamanter fra naturen og fremstilte diamanter anvendes som slipemiddel, borspisser, skjæreverktøy, dysemateriale o.a. 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 konduktans. Anvendes til elektroder for galvaniske elementer og som kullstifter for lysbuelamper.

Glanskarbon fremstilles ved å la en lysgass- eller metanflamme brenne mot glatte overflater, f.eks. 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 nm.

Sot dannes når karbonforbindelser i gassfase forbrenner under utilstrekkelig lufttilførsel. De dannede karbonpartiklene utskilles ved å kjøle flammen mot vannkjølte metallplater o.l. Foruten 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), 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 (grammofonplater) og som fyllstoff for gummi, f.eks. i bilringer. Ca. 40 % av et bildekks gummimasse er sot. Sotens kvalitet er viktig for dekkets slitestyrke. Ca. 95 % 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 m.m., i nærvær av stoffer som forhindrer sammensintring til grovere partikler, og som dessuten bidrar til å fjerne dannede tjæreprodukter. Det ferdige produkt 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 (se aktivkull).Koks er likeledes 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 o.l. 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. Pga. bestandighet overfor varme og temperaturforandringer og god elektrisk og termisk konduktans 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. Se også grafitt.

Kjemisk symbol C
Atomnummer 6
Relativ atommasse 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 til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.