عنصر کربن

در اشکال مختلف یافت می شود عنصر کربن یکی از رایج ترین عناصر در کیهان است. همچنین یکی از مهم ترین عناصر جدول تناوبی است و پایه و اساس تمام زندگی را که ما می شناسیم تشکیل می دهد! تمام شیمی آلی بر پایه کربن است. الماس، گرافیت و زغال چوب همه اشکال کربن هستند. در زیر حقایق بیشتری در مورد این عنصر شگفت انگیز بیابید.

تاریخچه کربن

برخلاف اکثر عناصر، انسان از زمان های قدیم از کربن آگاه بوده است. در اوایل 3750 قبل از میلاد، مصریان و سومریان باستان از زغال چوب، نوعی کربن، برای کاهش فلزات مختلف در فرآیند تولید استفاده می کردند. استفاده از کربن تا سال 1789 ادامه یافت، زمانی که آنتوان لاووازیه کربن را برای اولین بار به عنوان یک عنصر فهرست کرد. بسیاری از اشکال کربن دیگر مانند الماس، گرافیت، گرافن و فولرن کشف شده است. فولرن حتی در سال 1996 برنده جایزه نوبل شیمی شد و این جایزه به رابرت کرل، سر هارولد کروتو و ریچارد اسمالی تعلق گرفت. کربن همچنان به طور فعال مورد بررسی قرار می گیرد و نقشی حیاتی در تمام زمینه های شیمی ایفا می کند.

کربن در جدول تناوبی

کربن با عدد اتمی 6 و نماد C در گروه 14 جدول تناوبی در سمت راست بور و سمت چپ نیتروژن قرار دارد. عناصر سیلیکون، ژرمانیوم، قلع و سرب نیز در گروه 14 قرار دارند. کربن شباهت هایی به سیلیکون متالوئید دارد، اما سیلیکون نمی تواند باشد. پایه ای برای زندگی مانند قوطی کربن گاهی اوقات به آن “پادشاه” جدول تناوبی می گویند.

کربن یک غیر فلز است که در طبیعت به صورت گرافیت، الماس یا فولرن یافت می شود. چهار ظرفیتی است و دارای چهار الکترون برای تشکیل پیوندهای کووالانسی است. به طور طبیعی به عنوان 3 ایزوتوپ – کربن 12، 13 و 14 وجود دارد.

آلوتروپ های رایج کربن

انواع مختلفی از کربن یا آلوتروپ وجود دارد. یکی از رایج ترین آنها کربن آمورف است که ساختار بلوری مشخصی ندارد. زغال سنگ رایج ترین نمونه کربن آمورف است. الماس یکی دیگر از آلوتروپ های شناخته شده کربن است که کاربردهای فراوانی دارد، چه صنعتی و چه فرهنگی. شبکه چهار وجهی قوی پیوندهای کربن-کربن به الماس استحکام قابل توجه و درخشش خاصی می بخشد. مدادها نمونه عالی دیگری از آلوتروپ کربن، گرافیت هستند. گرافیت شامل بسیاری از صفحات بزرگ کربن است که روی هم قرار گرفته اند. پس از شکستن این ورق ها به شما امکان می دهد با یک مداد آثاری را روی کاغذ خود بگذارید. همچنین بسیاری از اشکال کمتر رایج کربن مانند فولرن ها و نانولوله های کربنی وجود دارد.

12 حقیقت جالب در مورد کربن

1. اندازه‌گیری مقادیر ایزوتوپ رادیواکتیو کربن-14 می‌تواند به ما در تعیین سن چیزهایی مانند آثار باستان‌شناسی و اسناد باستانی کمک کند.
2. نانولوله‌های کربنی یکی از قوی‌ترین مواد در جهان هستند و به عنوان مصالح ساختمانی احتمالی برای برخی اختراعات وحشی مانند آسانسور فضایی پیشنهاد شده‌اند.
3. تمام زندگی همانطور که می دانیم بر پایه کربن است.
4. بیش از 10 میلیون ترکیبی که تاکنون از آنها می شناسیم، بیشتر از هر عنصر دیگری می توانند توسط کربن تشکیل شوند.
5. کربن چهارمین عنصر فراوان در جهان است اما تنها پانزدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است.
6. وزن اتمی سایر عناصر نسبت به کربن 12 اندازه گیری می شود.
7. این نام از کلمه لاتین “carbo” به معنای زغال چوب گرفته شده است.
8. الماس تحت فشار زیاد در اعماق پوسته زمین تشکیل می شود و معمولاً از «لوله های آتشفشانی باستانی» استخراج می شود.
9. بدن انسان حدود 18 درصد کربن جرمی دارد.
10. کربن جزء کلیدی فولاد است که یکی از پرکاربردترین مواد در جهان است.
11. الماس سخت ترین ماده طبیعی شناخته شده روی زمین است، در حالی که گرافیت یکی از نرم ترین ها است.
12. کربن یکی از معدود عناصری است که می تواند با خود پیوندهای کووالانسی پایدار ایجاد کند و در نتیجه می تواند به اشکال مختلف وجود داشته باشد که به نام آلوتروپ شناخته می شوند. این آلوتروپ ها شامل الماس، گرافیت و گرافن است.

چه حقایق کربن دیگری را می دانید؟

واکنش ها و ترکیبات رایج

کربن در واکنش های متعدد در تمام شاخه های شیمی استفاده می شود. یکی از رایج ترین واکنش های احتراق است که در آن یک هیدروکربن با اکسیژن واکنش می دهد و دی اکسید کربن و آب تشکیل می دهد. واکنش مهم دیگر با کربن اسیدی شدن اقیانوس است. این زمانی است که دی اکسید کربن در اقیانوس حل می شود و برای تشکیل اسیدهای کربوکسیلیک واکنش نشان می دهد و pH اقیانوس را کاهش می دهد. کربن معمولاً به تلاش قابل توجهی برای جداسازی نیاز ندارد. زغال سنگ، الماس و گرافیت همگی اشکال خالص و طبیعی کربن هستند.

ترکیبات کربن

کربن می تواند طیف گسترده ای از ترکیبات مختلف را بسازد. دو مورد مهم مونوکسید کربن و متان هستند. متان یکی از بالاترین پتانسیل‌های گرمایش در هر مولکول را در بین تمام گازهای گلخانه‌ای دارد. مونوکسید کربن یک گاز بی رنگ و بی بو است که می تواند برای انسان کشنده باشد. با این حال، مونوکسید کربن همچنین می تواند به عنوان یک لیگاند مفید برای بسیاری از واکنش های معدنی عمل کند. دسته دیگر از ترکیبات کربن جالب است سیستم های کونژوگه pi. همپوشانی چند اوربیتال پی برای ایجاد یک سیستم غیرمحلی از الکترون ها، سیستم pi-conjugated نامیده می شود. رنگ‌های زنده‌ای که به وجود می‌آیند این ترکیبات را بسیار مفید و زیبا می‌کنند.

یون کربنات، یون بی کربنات و یون کاربید

عنصر کربن چندین یون بسیار مهم در شیمی را تشکیل می دهد، از جمله یون کربنات CO₃^-2، یون بی کربنات HCO₃^–، و یون کاربید سی^-4. کربنات سدیم به عنوان سودای شستشو استفاده می شود. بیشتر کربنات ها به غیر از کربنات های فلزات قلیایی در آب نامحلول هستند. کربنات ها در شیمی مفید هستند زیرا می توانند با اسید ترکیب شوند تا هر نمک دیگری از آن عنصر را تشکیل دهند. کربنات های محلول مانند کربنات سدیم و کربنات پتاسیم در محلول پایه هستند.

بی‌کربنات‌ها شبیه کربنات‌ها هستند، اما در محلول محلول‌تر و فقط کمی بازی هستند. آنها می توانند مانند بافر در محلول عمل کنند. گرم کردن یک بی کربنات اغلب آن را به کربنات تبدیل می کند.

یکی از رایج ترین کاربیدها، کاربید کلسیم، Ca است₂ج- با آب واکنش می دهد و گاز استیلن می سازد. کاربیدهای فلزات گروه 1 و گروه 2 ترکیبات یونی هستند. کاربیدهای فلزات واسطه مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، تنگستن و مولیبدن ترکیبات بینابینی هستند – به این معنی که اتم‌های کربن سوراخ‌هایی را در شبکه فلزی پر می‌کنند. نسوز هستند، خواص فلزی دارند و معمولا غیر استوکیومتری هستند.

عنصر کربن در شیمی آلی

شیمی آلی یکی از بزرگترین زیر شاخه های شیمی است و کاملاً بر اساس عنصر کربن است! کربن می‌تواند پیوندهای بسیار قوی با دیگر اتم‌های کربن ایجاد کند که آن را به یکی از اجزای سازنده بیشتر ترکیبات آلی تبدیل می‌کند. کربن همچنین قادر به ایجاد پیوند با بسیاری از عناصر دیگر مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن است. پیوندهای تشکیل شده بین کربن و این عناصر اساس گروه های عاملی را تشکیل می دهند که امکان ایجاد طیف گسترده ای از ترکیبات از داروها تا رنگ ها را فراهم می کند! کربن در این توانایی منحصر به فرد است.

کربن و آب و هوا

سطح کربن در جو به شکل دی اکسید کربن از زمان انقلاب صنعتی به طور پیوسته در حال افزایش بوده است. این امر در چند دهه اخیر شتاب زیادی داشته است و منجر به آن شده است تغییرات شدید آب و هوا و افزایش کلی دما. این به دلیل اثر گلخانه ای است، جایی که سطوح بالای دی اکسید کربن در اتمسفر، نور خورشید ورودی را به دام می اندازد و در نتیجه زمین گرم می شود.

اگرچه زمین دارای غرق‌های کربن طبیعی است، مانند CO محلول₂ در اقیانوس ها و مواد گیاهی آلی، این غرق ها قادر به همگام شدن با افزایش سطح کربن در نتیجه فعالیت های انسانی نبوده اند. تحقیقات فعال زیادی وجود دارد که راه‌هایی را برای کاهش و معکوس کردن این روند بررسی می‌کند. این شامل طیف گسترده ای از مناطق مختلف است. به عنوان مثال، فناوری جذب کربن راهی برای حذف احتمالاً دی اکسید کربن از جو است. روش های تولید انرژی بدون تولید کربن، مانند باد و خورشید، یکی دیگر از زمینه های تحقیقات فعال است.

عنصر کربن و پلیمرها

پیوندهای قوی بین کربن ها همچنین باعث تشکیل پلیمرها، زنجیره های بلند اتم های کربن به هم مرتبط می شود. یکی از زیرمجموعه های مهم پلیمرها پلاستیک است که یکی از رایج ترین مواد در زندگی ما است. استحکام و تطبیق پذیری پیوندهای کربن-کربن، پلیمرها و پلاستیک ها را قادر می سازد تا عملکردهای زیادی را انجام دهند. همه چیز از بطری های آب بادوام گرفته تا هواپیماها در ساخت آنها از پلاستیک استفاده می کنند. اما این پیوندهای قوی می توانند تجزیه این مواد را نیز سخت کنند و بسیاری از چیزهای ساخته شده از پلاستیک هرگز خراب نمی شوند و در نهایت باعث آلودگی و آسیب می شوند که به محیط زیست راه پیدا کنند.

پیشرفت هایی نیز در این زمینه صورت می گیرد و الف آنزیم جدید به تازگی ساخته شده است که می تواند پلاستیک ها را به طور طبیعی تجزیه کند. این یک راه جدید احتمالی برای بازیافت پلاستیک های مبتنی بر کربن به جای سوزاندن یا قرار دادن آنها در محل دفن زباله فراهم می کند.

بیشتر بدانید!

درباره عناصر دیگر بیشتر بدانید!