karbon

Karbon blir danna i stjerner ved fusjon av lettare grunnstoff, og finst overalt i universet. Om lag 4,6 promille av den samla grunnstoffmassen i universet er karbon, og karbon er dimed det fjerde vanlegaste grunnstoffet. I jordskorpa er andelen karbon rundt 200 delar per million (ppm).

I atmosfæren finst karbon i hovudsak som karbondioksid. Karbondioksid utgjer om lag 405 ppm, medan i 1750 var konsentrasjonen 277 ppm. Konsentrasjonen stig med rundt 2,5 ppm i året på grunn av forbrenning av fossilt brensel som olje, kol og gass. Karbondioksid er ein av dei viktigaste klimagassane og bidreg difor til global oppvarming og klimaendringar.

Ved å undersøkje boreprøver frå Grønlands innlandsis og Sørpolen har ein funne at mengda karbondioksid i atmosfæren ikkje har vore så høg som no på 200 000 år.

Karbon har ei viktig rolle i alle kjemiske sambindingar som vi forbind med liv. Karbon har ei sentral rolle i fotosyntesen, den viktigaste kjemiske reaksjonen for liv på jorda. Alt liv er dimed avhengig av karbon.

I organismar finst karbon i form av talrike forskjellige organiske sambindingar, til dømes DNA, protein, feitt og karbohydrat. Glukose er eit karbohydrat som kroppen vår kan få energi frå ved å forbrenne gjennom glykolysen. Menneskekroppen består av cirka 17 masseprosent karbon.

Karbon inngår i fleire mineral, for det meste karbonat (til dømes kalkstein). Til saman utgjer karbon 0,032 masseprosent av jordskorpa. Luft inneheld 0,04 volumprosent karbondioksid, og innhaldet aukar.

Vatn løyser store mengder karbondioksid, både i gassform og som hydrogenkarbonat (\(\ce{HCO3^{-}}\)). Det gjennomsnittlege karboninnhaldet i havvatn er 0,005 masseprosent, som svarar til eit totalt karboninnhald på 27 000 milliardar tonn.

I diamant sit karbonatoma saman i ei form som liknar pyramidar med tre sider (tetraederstruktur). Når karbonatoma er bunde samen på denne måten, blir strukturen svært solid, og diamant er eit av dei aller hardaste minerala som finst.

Fargelause, vassklare diamantar med høg glans og brytingsevne er reint karbon. Små mengder av andre stoff gjer at diamantar kan ha ulike fargar.

Rundt fem prosent av diamantane som finst i naturen eignar seg som smykkesteinar. Andre diamantar frå naturen og kunstig framstilte diamantar blir brukt som slipemiddel, borspisser, skjereverktøy, dysemateriale og anna.

• Les meir om diamant.

Det mørkegrå materialet i blyantar er grafitt. I grafitt sit karbonatoma saman i flate lag, som lett kan skuvast frå kvarandre. Det skjer kvar gong du teiknar ein strek med blyanten. Dette gjer grafitt til eitt av dei blautaste minerala vi veit om.

• Les meir om grafitt.

Grafitt er ein viktig bestanddel i kolfilter og aktivt kol. Kolfilter og aktivt kol fungerer ved at andre stoff blir sitjande fast på overflata eller inne i holrom i grafitten. På denne måten kan ein fjerne ulike forureiningar frå luft eller vatn. Ein nyttar òg aktivt kol i behandling av nokre typar forgiftingar.

Koks er eit karbonrikt produkt som tidlegare vart mykje brukt som brensel i boligar. I industrien nyttar ein framleis koks som energibærar og som reduksjonsmiddel i stålproduksjon.

Grafén er ein form for reint karbon som vart først framstilt i 2004 og har vist seg å ha mange interessante eigenskapar både mekanisk og elektronisk. Det er 200 gongar sterkare enn stål. Dei som framstilte grafén vart tildelt Nobelprisen i fysikk i 2010.

I tillegg til diamant og grafitt, finst det òg andre karbonstrukturar. Nokre av dei ser ut som små, tynne trådar, nokre få mikrometer lange. Desse trådane kan vevast saman til det som blir kalla karbonfiber. Viss ein blandar karbonfiber med plast eller metall, fungerer karbonfibrane som forsterkning. Slik får ein eit materiale som er sterkt og toler mykje, men samstundes er lett. Karbonfibermateriale blir mellom anna brukte i klede, sykkelrammer, skistavar og fiskestenger.

Karbon finst i fleire variantar som ein kallar isotopar. Det er to stabile, ¹²C og ¹³C, og ein radioaktiv, ¹⁴C eller C-14. Den radioaktive isotopen blir danna i dei øvre laga av atmosfæren, og utgjer ein nokså konstant del av karbonet bunde som CO₂ i atmosfæren. Når CO₂ blir omdanna til organisk stoff gjennom fotosyntesen, til dømes cellulose i eit tre, vil dimed ein bestemd del av cellulosen bestå av C-14. I og med at C-14 er radioaktiv, vil han etter kvart omdannast. Etter 5730 år er innhaldet av C-14 minka med halvparten (sjå halveringstid). Gjennom å måle mengden C-14 i organisk materiale, kan ein fastsette alderen til for eksempel arkeologiske funn som Osebergskipet.

• Les meir om C-14-datering.

Karbon blir nytta i form av kol og koks til å framstille metall som jern, kopar, bly, sink, med fleire, ved reduksjon av dei respektive oksida.

Namnet karbon kjem frå det latinske ordet carboneum som er avleidd frå ordet for trekol. Før rundt 1950 vart karbon kalt «kolstoff» på norsk.

Grafitt blir framstilt gjennom å spalte karbonhaldige sambindingar. Dette kan skje ved ulike temperaturar, og det påverkar kva korleis karbonet legg seg.

Ved låge temperaturar, rundt 400 °C, blir grafitten utskilt i finfordelt form, med vilkårleg orientering av dei små krystallittene og ein høgst uordna grafittstruktur. Dette er særleg tilfellet for sot, trekol og liknande.

Høgare temperaturar (cirka 800 °C og meir) fører til større krystallitter, fastare samanfiltring og dessutan til auka ordning av karbonlaga. Ved omtrent 1500 °C blir fått tette, men framleis fullstendig uregelmessig orienterte aggregat av større krystall (retortegrafitt). Ved endå høgare temperaturar (rundt 2500 °C) blir fått større krystall (kunstig grafitt) med tiltakande orientering, der strukturen skil seg lite frå naturleg grafitt.

Framstillinga av kunstig grafitt skjer no ved opphetning av koks (petrolkoks) eller antrasitt i form av bakte elektrodar i elektriske omnar ved cirka 2700 °C.

Diamant blir vunnen ut i det sørlege Afrika, men det er stor produksjon òg i Canada, Russland, Brasil og Australia. Den største diamanten nokonsinne, Cullinan, vart funnen i Sør-Afrika i 1905 og var på heile 3106 karat eller 621,2 gram. Den vart spalta i 105 edelsteinar, og ni inngår i dei britiske kronjuvelane.

Ved å presse grafitt saman under høgt trykk (6 gigapascal) og temperatur (1500 °C) er det mogleg å framstille diamantpulver industrielt. Denne forma for diamant har kommersiell betydning i samband med framstilling av industrielt utstyr for saging, sliping og boring.

• I grafén er karbonatoma bunde i eit todimensjonalt plant nett, omtrent som hønsenetting.
• I grafitt er desse netta stabla oppå kvarandre.
• I diamant er kvart karbonatom bunde til fire andre karbonatom.
• Sot er ei amorf form av karbon.
• Fullerenar er nettverk av karbon som dannar ein slags ballar. Det enklaste er C₆₀, buckminsterfulleren, som har form som ein fotball.
• Ei mellomform mellom grafén og fulleren er nanorøyr.

Karbonatomet kan danne bindingar til fire andre atom med elektronparbinding. Karbon kan lage enkeltbinding, dobbeltbinding eller trippelbinding. Karbonatom dannar bindingar til dei fleste grunnstoffatom. Det finst fleire sambinding av karbon enn av noko anna grunnstoff, unnateke hydrogen.

Karbonatom kan danne ulike strukturar:

• Kjeder og ringjer der kvart karbonatom er bunde til to andre karbonatom.
• Plane nett der kvart karbonatom er bunde til tre andre karbonatom.
• Tredimensjonale strukturar der kvart karbonatom er bunde til fire andre karbonatom.

Sambindingar der eitt eller fleire karbonatom er bunde til hydrogenatom er sentrale i organisk kjemi. Sambindingar mellom karbon og hydrogen heiter hydrokarbon. Sambindingar mellom karbon, hydrogen og oksygen heiter karbohydrat.

Karbon har elektronegativitet 2,5, noko som er midt mellom dei minst elektronegative grunnstoffa (alkalimetalla), som har elektronegativitet 1,0, og dei mest elektronegative grunnstoffa (halogena), som har elektronegativitet 4,0.

Karbon blir løyst i mange metall (til dømes jern og titan) i fast tilstand, og dessutan i metallsmeltar.

Binære sambinding av karbon blir kalla karbidar. Det mest kjende dømet er kalsiumkarbid (CaC₂) som reagerer med vatn og gir acetylen.

Med silisium, som er eit meir elektronegativt grunnstoff, dannar karbon silisiumkarbid (SiC) som ikkje reagerer med vatn, er svært hardt og har eit høgt smeltepunkt.

Moglege oksidasjonstal for karbon er +II, +IV og –IV. I uorganiske sambindingar, som karbonat, er +IV det vanlegaste. Med dei mest elektropositive grunnstoffa dannar karbon karbidar med oksidasjonstal –IV.

Karbon i naturen består av to stabile isotopar:

• ¹²C (98,89 prosent)
• ¹³C (1,11 prosent)

Karbon finst dessutan som ein radioaktiv isotop: ¹⁴C (10^–10 prosent).

Atommasseeininga u er definert ut frå isotopen ¹²C, som er sett til nøyaktig lik 12 u, og massen av alle andre isotopar er gitt ut frå denne massen.

Det er kjent ni framstilte, radioaktive karbonisotopar. Isotopen ¹⁴C har halveringstid på 5736 år. Dette vert nytta både som radioaktivt sporgrunnstoff og til aldersfastsetjing av karbonholdig materiale, såkalla C-14-datering. ¹⁴C blir danna i den øvre delen av atmosfæren ved at nøytron frå kosmisk stråling bombarderer nitrogenatom.