karbon

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 ble 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 C₆₀, buckminsterfulleren, som har form som en europeisk fotball (se bilde 1). De som fant de første fullerenene, ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1996.

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.

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 gram per milliliter (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 (cirka 1750–2000 °C) og høyt trykk (omtrent 100 000 standard atmosfærer, atm).

Rundt fem 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 cirka 2000 °C. Også den står naturlig grafitt meget nær. I fiberform fås grafitt ved kontrollert forkulling av organiske fiberprodukter etterfulgt av oppvarming til omtrent 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 (cirka 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 rundt 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. Rundt 40 prosent av et bildekks gummimasse er sot. Sotens kvalitet er viktig for dekkets slitestyrke. Cirka 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 (cirka 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 (cirka 800 °C og mer) fører til større krystallitter, fastere sammenfiltring samt til økt ordning av karbonlagene. Ved omtrent 1500 °C fås tette, men fremdeles fullstendig uregelmessig orienterte aggregater av større krystaller (retortegrafitt). Ved enda høyere temperaturer (rundt 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 cirka 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.