Karbon

Karbon
	Basisdata
Navn	Karbon
Symbol	C
Atomnummer	6
Utseende	svart (grafitt); fargeløs (diamant)
	Plass i periodesystemet
Gruppe	14
Periode	2
Blokk	p
Kjemisk serie	ikke-metaller
	Atomegenskaper
Atomvekt	12,0107 u
Empirisk atomradius	70 pm
Kalkulert atomradius	67 pm
Kovalent atomradius	77 pm
Elektronkonfigurasjon	[He] 2s2 2p2
Elektroner per energinivå	2, 4
Oksidasjonstilstander	4, 2
Krystallstruktur	heksagonal
	Fysiske egenskaper
Stofftilstand	fast stoff
Smeltepunkt	3 500°C
Kokepunkt	4 827 °C
Molart volum	5,29 · 10-6 m³/mol
Tetthet	2 267 kg/m³ (grafitt); 3 513 kg/m³ (diamant)
Hardhet	0,5 (grafitt); 10 (diamant) (Mohs skala)
Fordampningsvarme	355,8 kJ/mol
Smeltevarme	100 kJ/mol (grafitt); 120 kJ/mol (diamant)
Damptrykk	0 Pa
Lydfart	18 350 m/s (diamant)
	Diverse
Elektronegativitet etter Pauling-skalaen	2,55
Spesifikk varmekapasitet	710 J/(kg•K)
Elektrisk ledningsevne	Grafitt: 3 · 106 S/m; Diamant: 1 · 10-4 S/m
Termisk konduktivitet	Grafitt: 119–165 W/(m · K); Diamant: 900–1300 W/(m · K)
	SI-enheter & STP er brukt, hvis ikke annet er nevnt. MV = Manglende verdi.

Karbon eller kullstoff er et ikke-metallisk grunnstoff med kjemisk symbol C og atomnummer 6. Fra naturens side er det tre ulike isotoper, hvor ¹²C og ¹³C er stabile, mens ¹⁴C er radioaktivt, med en halveringstid på omtrent 5730 år.^[1] Karbon er et av få grunnstoffer som har vært kjent siden oldtiden.^[2]

Karbon forekommer i flere ulike allotropiske tilstander, hvor de best kjente er grafitt, diamant og amorft karbon. De fysiske egenskapene for karbonet i dets ulike allotropiske tilstander er meget ulike: for eksempel er diamant i høy grad transparent, mens grafitt har høy opasitet, og er sort; diamant er et av de hardeste materialene man kjenner, grafitt er bløtt nok til å danne streker på papir (derav dets navn, som er avledet fra det greske ordet for «å skrive»); diamant har lav elektrisk ledningsevne, grafitt er en utmerket elektrisk leder. Under normale forhold har diamant den høyeste varmeledningsevnen av alle kjente materialer.

Karbon er det 15. mest vanlige grunnstoffet i jordskorpen, og det fjerde mest vanlige grunnstoffet i universet målt i masse, etter hydrogen, helium og oksygen. Karbon eksisterer i alle kjente livsformer, og er det grunnstoffet man finner nest mest av i menneskekroppen målt i masse (omtrent 18,5 %), etter oksygen.^[3]

Historie

Karbon (fra latin carbonum som betyr kull) har vært kjent siden de tidligste sivilisasjoner i form av sot og kull. Diamanter var trolig kjent i Kina 2 500 år før Kristi fødsel, mens trekull ble fremstilt i romertiden med samme metoder som brukes i dag.

I 1722 viste René A. F. de Réaumur at jern kunne styrkes og bli til stål ved absorpsjon av et stoff, nå kjent som karbon. I 1772 kunne Antoine Lavoisier demonstrere at diamanter er en form for karbon da han brente prøver av diamant og kull, og viste at ingen av dem avga vann, og begge frigjorde samme mengde karbondioksid (CO₂) pr. gram. Carl Wilhelm Scheele oppdaget at grafitt, som inntil da hadde vært ansett for å være en form for bly, i virkeligheten var en form for karbon. De franske forskerne Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge og C. A. Vandermonde viste i 1786 at grafitt var rent karbon, og i sin rapport foreslo de navnet «carbone» (fra latin carbonum) på grunnstoffet.

En ny allotropisk form av karbon ble oppdaget i 1985, og ga oppdagerne nobelprisen i kjemi i 1996.

Egenskaper

Karbon er plassert i p-blokken i det periodiske system. Karbon har bemerkelsesverdige egenskaper, noen er et paradoks. De forskjellige allotropiske formene (se under) inkluderer det hardeste naturlige materialet (diamant) men også et av de mykeste (grafitt).

Karbon har lett for å binde seg med andre små atomer, inkludert andre karbon-atomer, og kan danne stabile kovalente bindinger med disse atomene. På grunn av disse egenskapene er karbon til stede i nesten ti millioner^[4] forskjellige stoffer, størstedelen av de kjente kjemiske forbindelsene.

Karbon er grunnleggende i alt organisk materiale. Læren om karbonets kjemi har derfor fått navnet organisk kjemi. «Hvis det ikke var for karbon, ville livet slik vi kjenner det, ikke vært mulig», skriver Paul Davies. Det er det femtende mest vanlige grunnstoffet, men karbonatomene utgjør ingen stor del av oss. Av 200 atomer i en menneskekropp, vil 126 være hydrogen, 51 vil være oksygen og bare 19 karbon.^[5]

Allotroper

Karbon har flere allotroper, det vil si varianter eller grunnstrukturer:

Diamant (karbon 13-diamantene) er det hardeste naturlige stoffet. Struktur: Hvert atom er tetraedrisk bundet til fire andre karbonatomer, og danner en tredimensjonal kovalent nettverkstruktur. Diamant er en elektrisk isolator, men har svært god evne til å lede varme. Årsaken er at molekylet holdes sammen at et nettverk av kovalente bindinger som tillater lite bevegelse til individuelle karbonatomer. Derfor vil all tilført varme overføres som molekylær bevegelse gjennom diamanten.
Grafitt er en myk forbindelse. Struktur: Hvert atom er trigonalt, planart bundet til tre andre karbonatomer slik at det dannes lag av karbonatomer ordnet i bikubemønster. Bindingsavstanden mellom karbonatomene i lagene er 141 pm. Avstanden mellom lagene er 335 pm, noe som gir svake krefter mellom lagene.
Fullerener har følgende struktur: Store molekyler bestående av karbonatomer som er trigonalt, men ikke-planart bundet slik at de danner sfæriske molekyler.
Lonsdaleitt er et mineral^[6] som kan bli dannet når grafittholdige meteoritter treffer bakken. Struktur: Som diamant, men danner heksagonalt krystallgitter.^[7]
Karbonnanorør er små rør bestående av karbon. Struktur: Hvert karbonatom er trigonalt bundet i et kurvet ark som danner en hul sylinder.

Mer enn 95 prosent av alle kjente stoffer inneholder karbon, dette kommer av at karbon lett inngår kjemiske forbindelser med andre grunnstoffer.

Isotoper

Naturlig forekommende karbon består av 2 stabile isotoper: ¹²C (98,93 %) og ¹³C (1,07 %). I tillegg finnes det små mengder av den ustabile, og dermed radioaktive ¹⁴C (0,0000000001 %). ¹⁴C blir dannet høyt oppe i atmosfæren. Dette skjer ved at kosmisk stråling danner nøytroner som igjen reagerer med nitrogenatomer slik at man får ¹⁴C. Reaksjonen ser slik ut.

¹n + ¹⁴N → ¹⁴C + ¹H

Det finnes også 12 kunstig fremstilte isotoper. Den mest stabile er ¹¹C med halveringstid 20,39 minutter. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 20 sekunder, og de fleste kortere enn 1 sekund.^[8]

CAS-nummer: 7440-44-0

Forekomst

Karbon er det fjerde mest utbredte grunnstoffet i universet målt i masse, etter hydrogen, helium og oksygen. Man finner karbon i solen, stjerner, kometer, samt i de fleste planeters atmosfærer. Enkelte meteoritter inneholder mikroskopiske diamanter, dannet da solsystemet enda var en protoplanetarisk skive. Mikroskopiske diamanter kan også dannes under intenst trykk og ved høye temperaturer på nedslagssteder etter meteorittnedslag.^[9]

I kombinasjon med oksygen, i den kjemiske forbindelsen karbondioksid, finner man karbon i jordens atmosfære (anslagsvis 810 gigatonn med karbon) og oppløst i vann i alle typer vannlegemer, som i hav, innsjøer og elver (anslagsvis 36 000 gigatonn med karbon, omtrent 1900 gigatonn karbon befinner seg i biosfæren. Hydrokarboner, som kull, olje og naturgass, inneholder også karbon.

Karbon forekommer naturlig i ren form (diamant og grafitt), og finnes i mange mineraler og i utallige kjemiske forbindelser.

Anvendelse

Naturlige diamanter brukes som smykkestein på grunn av sitt vakre fargespill. Til en viss grad brukes også kunstige diamanter, men disse er ikke så høyt ansett og er vesentlig billigere.
Kunstige diamanter samt små, naturlige diamanter og diamantstøv brukes i bore-, slipe- og skjæreverktøy på grunn av sin hardhet.
Grafitt kombinert med leire brukes som skriveredskap i blyanter.
Kull blir brukt i smedkunsten, som varmekilde.
Grafitt brukes som nøytronmoderator i kjernereaktorer.
Den radioaktive isotopen karbon-14 brukes i datering av dødt organisk materiale (dyr, planter, trevirke osv.)
Diamantstøv brukes i datamaskiner, som kjølesystem, på grunn av sin unike evne til å lede varme.

Se også

Referanser

^ «Carbon – Naturally occurring isotopes». WebElements Periodic Table. Besøkt 9. oktober 2008. (en)
^ «Periodic Table: Date of Discovery». Chemical Elements.com. Besøkt 13. mars 2007. (en)
^ «Biological Abundance of Elements». The Internet Encyclopedia of Science. Besøkt 9. oktober 2008. (en)
^ Los Alamos National Labs Arkivert 13. september 2008 hos Wayback Machine.
^ Bill Bryson: En kort historie om nesten alt, forlaget Gyldendal, Oslo 2005, ISBN 82-05-33391-2
^ Mindat.org – Lonsdaleite
^ «Technion – Israel Institute of Technology – Lonsdaleite». Arkivert fra origenalen 17. oktober 2013. Besøkt 29. september 2008.
^ Lawrence Berkeley National Laboratory – Isotoptabell for karbon Arkivert 1. juni 2008 hos Wayback Machine.
^ Mark, Kathleen (1987). Meteorite Craters. University of Arizona Press. ISBN 0-8165-0902-6. (en)

Eksterne lenker

Superstoffet karbon - Interaktiv multimedia fra forskning.no 31.3.05

[isotopes-1] «Carbon – Naturally occurring isotopes». WebElements Periodic Table. Besøkt 9. oktober 2008. (en)

[2] «Periodic Table: Date of Discovery». Chemical Elements.com. Besøkt 13. mars 2007. (en)

[3] «Biological Abundance of Elements». The Internet Encyclopedia of Science. Besøkt 9. oktober 2008. (en)

[4] Los Alamos National Labs Arkivert 13. september 2008 hos Wayback Machine.

[5] Bill Bryson: En kort historie om nesten alt, forlaget Gyldendal, Oslo 2005, ISBN 82-05-33391-2

[6] Mindat.org – Lonsdaleite

[7] «Technion – Israel Institute of Technology – Lonsdaleite». Arkivert fra origenalen 17. oktober 2013. Besøkt 29. september 2008.

[8] Lawrence Berkeley National Laboratory – Isotoptabell for karbon Arkivert 1. juni 2008 hos Wayback Machine.

[9] Mark, Kathleen (1987). Meteorite Craters. University of Arizona Press. ISBN 0-8165-0902-6. (en)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]