Karbon

Karbon, ₆C

Grafit (sol) ve elmas (sağ), iki karbon allotropu
Karbon
Allotropları	grafit, elmas, diğerleri
Görünüm	grafit: siyah elmas: berrak
Standart atom ağırlığı Ar, std(C)	[7001120096000000000♠12.0096, 7001120116000000000♠12.0116] Konvansiyonel: 7001120110000000000♠12.011
Periyodik tablodaki Karbon
– ↑ C ↓ Si bor ← karbon → nitrojen
Atom numarası (Z)	6
Grup	14. grup (karbon grup)
Period	periyot 2
Blok	p-blok
Element kategorisi	Reaktif ametal, bazen metaloid olarak kabul edilir
Elektron konfigürasyonu	[He] 2s2 2p2
Kabuk başına elektron	2, 4
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Süblimleşme noktası	3915 K ​(3642 °C, ​6588 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	amorf: 1.8–2.1 g/cm3 grafit: 2.267 g/cm3 elmas: 3.515 g/cm3
Üçlü nokta	4600 K, ​10,800 kPa
Isı entalpisi	grafit: 117 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	grafit: 8.517 J/(mol·K) elmas: 6.155 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 (bir hafif asidik oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 2.55
İyonlaşma enerjisi	1.: 1086.5 kJ/mol 2.: 2352.6 kJ/mol 3.: 4620.5 kJ/mol (daha fazlası)
Kovalent yarıçapı	sp3: 77 pm sp2: 73 pm sp: 69 pm
Van der Waals yarıçapı	170 pm
karbon spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	grafit: ​basit altıgen (siyah)
Kristal yapı	elmas: ​yüz merkezli elmas kübik (açık)
Sesin hızı kalay çubuk	elmas: 18,350 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	elmas: 0.8 µm/(m·K) (25 °C)
Termal iletkenlik	grafit: 119–165 W/(m·K) elmas: 900–2300 W/(m·K)
Elektriksel direnç	graphite: 7.837 µΩ·m
Manyetik sıralama	diyamanyetik
Manyetik alınganlık	−5.9·10−6 (graph.) cm3/mol
Young modülü	elmas: 1050 GPa
Kayma modülü	elmas: 478 GPa
Bulk modülü	elmas: 442 GPa
Poisson oranı	elmas: 0.1
Mohs sertliği	grafit: 1–2 diamond: 10
CAS Numarası	grafit: 7782-42-5 elmas: 7782-40-3
Tarihçe
Keşfeden	Mısırlılar ve Sümerler (3750 BCE)
Tarafından bir öğe olarak kabul edildi	Antoine Lavoisier (1789)
karbon ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 11C syn 20 min β+ 11B 12C 98.9% kararlı 13C 1.1% kararlı 14C iz 5730 y β− 14N

Karbon (Latince: carbo "kömür") sembolü C ve atom numarası 6 olan kimyasal bir elementtir. Metalik olmayan ve dört değerlikli - kovalent kimyasal bağlar oluşturmak için dört elektron sağlar. Periyodik tablonun 14. grubuna aittir. Üç izotop doğal olarak oluşur, ¹²C ve ¹³C stabil olurken, ¹⁴C yaklaşık 5.730 yıllık bir yarı ömürle çürüyen bir radyonükliddir. Karbon, antik çağlardan beri bilinen az sayıdaki elementten biridir.

Karbon, yer kabuğunda 15. en bol bulunan element ve hidrojen, helyum ve oksijenden sonra kütle olarak evrendeki en bol bulunan dördüncü elementtir. Karbonun bolluğu, eşsiz organik bileşik çeşitliliği ve Dünya'da yaygın olarak karşılaşılan sıcaklıklarda polimer oluşturma alışılmadık yeteneği, bu elementin bilinen tüm yaşamın ortak bir unsuru olarak hizmet etmesini sağlar. Oksijen sonrası kütle (yaklaşık %18.5) insan vücudunda en bol bulunan ikinci elementtir.

Karbon atomları çeşitli şekillerde birbirine yapışarak çeşitli karbon allotroplarına yol açabilir. En iyi bilinen allotroplar grafit, elmas ve buckminsterfullerendir. Karbonun fiziksel özellikleri allotropik forma göre büyük ölçüde değişir. Örneğin, elmas çok şeffafken grafit opak ve siyahtır. Grafit, kağıt üzerinde bir çizgi oluşturacak kadar yumuşaktır (bu nedenle adı, "yazmak" anlamına gelen "γράφειν" Yunanca fiilinden alır), elmas bilinen en zor doğal olarak oluşan malzemedir. Grafit iyi bir elektrik iletkenidir, elmas düşük elektrik iletkenliğine sahiptir. Normal koşullar altında, elmas, karbon nanotüpler ve grafen bilinen tüm malzemelerin en yüksek termal iletkenliklerine sahiptir. Tüm karbon allotropları normal koşullar altında katıdır, grafit standart sıcaklık ve basınçta termodinamik olarak en kararlı formdur. Kimyasal olarak dayanıklıdırlar ve oksijenle bile reaksiyona girmeleri için yüksek sıcaklık gerektirirler.

İnorganik bileşiklerde karbonun en yaygın oksidasyon durumu +4'tür, +2 karbon monoksit ve geçiş metali karbonil komplekslerinde bulunur. En büyük inorganik karbon kaynakları kireçtaşı, dolomit ve karbon dioksittir, ancak organik kömür, turba, yağ ve metan klatrat birikintilerinde önemli miktarlar görülür. Karbon, bugüne kadar tarif edilen yaklaşık on milyon bileşik ile diğer herhangi bir elementten daha fazla sayıda bileşik oluşturur ve yine de bu sayı, standart koşullar altında teorik olarak mümkün bileşiklerin sayısının sadece bir kısmıdır. Bu nedenle, karbon genellikle "elementlerin kralı" olarak adlandırılır.

Özellikleri

Karbon allotropları arasında bilinen en yumuşak maddelerden biri olan grafit ve doğal olarak oluşan en sert madde olan elmas bulunur. Diğer karbon atomları da dahil olmak üzere diğer küçük atomlarla kolayca bağlanır ve uygun çok değerlikli atomlarla çoklu kararlı kovalent bağlar oluşturabilir. Karbonun, tüm kimyasal bileşiklerin büyük çoğunluğu olan neredeyse on milyon bileşik oluşturduğu bilinmektedir. Karbon ayrıca tüm elementlerin en yüksek süblimasyon noktasına sahiptir. Atmosfer basıncında, erime noktası yoktur, çünkü üçlü noktası 10.8 ± 0.2 MPa ve 4.600 ± 300 K (4.330 ± 300 °C; 7.820 ± 540 °F) olduğundan, yaklaşık 3.900 K (3.630 °C; 6,560 °F). Grafit, delokalize pi sistemi saldırılara karşı çok daha savunmasız olduğundan, termodinamik olarak daha kararlı olmasına rağmen, standart koşullarda elmastan çok daha reaktiftir. Örneğin, grafit, standart koşullarda sıcak konsantre nitrik asit tarafından, daha büyük yapıyı parçalarken altıgen grafit birimlerini koruyan C₆(CO₂H)₆'ya oksitlenebilir.

Karbon, yaklaşık 5800 K (5.530 °C veya 9.980 °F) sıcaklığa sahip bir karbon arkı içinde süblimleşir. Dolayısıyla, allotropik biçimine bakılmaksızın, karbon tungsten veya renyum gibi en yüksek erime noktalı metallerden daha yüksek sıcaklıklarda katı kalır. Termodinamik olarak oksidasyona eğilimli olmasına rağmen, karbon, oda sıcaklığında daha zayıf indirgeyici ajanlar olan demir ve bakır gibi elementlerden oksidasyona daha etkili bir şekilde direnç gösterir.

Karbon, dört dış elektronun değerlik elektronu olduğu 1s²2s²2p² yer durumu elektron konfigürasyonuna sahip altıncı elementtir. İlk dört iyonizasyon enerjisi, 1086.5, 2352.6, 4620.5 ve 6222.7 kJ/mol, daha ağır grup-14 elementlerinden çok daha yüksektir. Karbonun elektronegatifliği 2.5, daha ağır grup-14 elementlerinden (1.8-1.9) önemli ölçüde daha yüksektir, ancak yakındaki metal olmayanların çoğuna ve ayrıca ikinci ve üçüncü sıra geçiş metallerinin bazılarına yakındır. Karbonun kovalent yarıçapları normalde 77,2 pm (C−C), 66,7 pm (C=C) ve 60,3 pm (C≡C) olarak alınır, ancak bunlar koordinasyon sayısına ve karbonun neye bağlı olduğuna bağlı olarak değişebilir. Genel olarak, kovalent yarıçap düşük koordinasyon sayısı ve yüksek bağ sırası ile azalır.

Karbon bileşikleri Dünya üzerinde bilinen tüm yaşamın temelini oluşturur ve karbon-azot döngüsü Güneş ve diğer yıldızlar tarafından üretilen enerjinin bir kısmını sağlar. Olağanüstü çeşitlilikte bileşikler oluşturmasına rağmen, karbonun çoğu biçimi normal koşullar altında nispeten reaktif değildir. Standart sıcaklık ve basınçta, en güçlü oksitleyiciler hariç hepsine dayanıklıdır. Sülfürik asit, hidroklorik asit, klor veya herhangi bir alkali ile reaksiyona girmez. Yüksek sıcaklıklarda karbon, karbon oksitler oluşturmak için oksijenle reaksiyona girer ve elementel metali terk etmek için metal oksitlerden gelen oksijeni çalar. Bu ekzotermik reaksiyon demir ve çelik endüstrisinde demiri eritmek ve çeliğin karbon içeriğini kontrol etmek için kullanılır:

Fe
3O
4 + 4 C_(s) → 3 Fe_(s) + 4 CO_(g)

Karbon monoksit daha da fazla demir eritmek için geri dönüştürülebilir:

Fe
3O
4 + 4 CO_(g) → 3 Fe_(s) + 4 CO
2_(g)

karbon disülfür oluşturmak için kükürt ve kömür gazı reaksiyonunda buhar ile:

C_(s) + H₂O_(g) → CO_(g) + H_2(g).

Karbon, yüksek sıcaklıklarda bazı metallerle birleşerek çelik ve tungsten karbürdeki demir karbür sementit gibi metalik karbürler oluşturur ve yaygın olarak aşındırıcı olarak kullanılır ve kesici takımlar için sert uçlar yapar.

Allotropları

Büyük bir camsı karbon örneği

Atomik karbon çok kısa ömürlü bir türdür ve bu nedenle karbon, allotroplar adı verilen çeşitli moleküler konfigürasyonlara sahip çeşitli çok atomlu yapılarda stabilize edilir. Nispeten iyi bilinen üç karbon allotropu, amorf karbon, grafit ve elmastır. Egzotik olarak kabul edildiğinde, fullerenler günümüzde yaygın olarak sentezlenmekte ve araştırmalarda kullanılmaktadır; buckyballs, karbon nanotüpler, karbon nanobudlar ve nanofiberleri içerir. Lonsdaleit, camsı karbon, karbon nanofoam ve doğrusal asetilenik karbon (carbyne) gibi başka egzotik allotroplar da keşfedilmiştir.

Grafen, atomları altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş iki boyutlu bir karbon tabakasıdır. 2009 itibariyle, grafen şimdiye kadar test edilmiş en güçlü malzeme olarak görünmektedir. Grafitten ayırma işlemi, endüstriyel işlemler için ekonomik hale gelmeden önce biraz daha teknolojik gelişme gerektirecektir. Başarılı olursa, grafen bir uzay asansörünün yapımında kullanılabilir. Ayrıca hidrojeni otomobillerde hidrojen bazlı bir motorda kullanılmak üzere güvenli bir şekilde saklamak için de kullanılabilir.

Amorf form, kristalin olmayan, düzensiz, camsı bir halde bulunan ve kristalin bir makro yapıda tutulmayan karbon atomları grubudur. Toz halinde bulunur ve kömür, lâmba isi (kurum) ve aktif karbon gibi maddelerin ana bileşenidir. Normal basınçlarda, karbon, her atomun, aromatik hidrokarbonlardaki gibi, kaynaşmış altıgen halkalardan oluşan bir düzlemde trigonal olarak üçe bağlandığı grafit formunu alır. Elde edilen ağ 2 boyutludur ve ortaya çıkan düz tabakalar, zayıf van der Waals kuvvetleri yoluyla istiflenir ve gevşek bir şekilde bağlanır. Bu grafitin yumuşaklığını ve yarılma özelliklerini verir (tabakalar birbirini kolayca geçebilir). Bir π-bulut oluşturmak için her atomun dış elektronlarından birinin delokalizasyonu nedeniyle grafit elektriği iletir, ancak sadece her kovalent olarak bağlanmış tabakanın düzleminde. Bu, karbon için çoğu metal için olduğundan daha düşük bir toplu elektrik iletkenliği ile sonuçlanır. Delokalizasyon ayrıca grafitin elmas üzerindeki oda sıcaklığında enerjisel kararlılığını da açıklar.

Bazı karbon allotropları: a) elmas; b) grafit; c) lonsdaleit; d – f) fullerenler (C60, C540, C70); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp " alt="Bazı karbon allotropları: a) elmas; b) grafit; c) lonsdaleit; d – f) fullerenler (C60, C540, C70); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp

Çok yüksek basınçlarda karbon, grafit yoğunluğunun yaklaşık iki katı olan daha kompakt allotropu elmas oluşturur. Burada, her atom tetrahedral olarak diğer dört taneye bağlanır ve büzülmüş altı üyeli atom halkalarından oluşan 3 boyutlu bir ağ oluşturur. Elmas, silikon ve germanyum ile aynı kübik yapıya sahiptir ve karbon-karbon bağlarının gücü nedeniyle, çizilmeye karşı dirençle ölçülen en sert doğal olarak oluşan maddedir. "Elmasların sonsuza dek" olduğuna dair yaygın inanışın aksine, normal koşullar altında (298 K, 105 Pa) termodinamik olarak kararsızdırlar (ΔfG°(elmas, 298 K) = 2,9 kJ/mol) ve grafite dönüşürler. Yüksek aktivasyon enerji bariyeri nedeniyle, grafite geçiş normal sıcaklıkta o kadar yavaştır ki farkedilemez. Karbon için faz diyagramının sol alt köşesi deneysel olarak incelenmemiştir. Bununla birlikte, yoğunluk fonksiyonel teori yöntemlerini kullanan yeni bir hesaplama çalışması, T → 0 K ve p → 0 Pa olarak, elmasın yaklaşık 1,1 kJ/mol kadar grafitten daha kararlı hale geldiği sonucuna ulaşmıştır. Bazı koşullar altında karbon, lonsdaleit, tüm atomların kovalent olarak bağlı olduğu altıgen bir kristal kafes ve elmasınkine benzer özellikleri olarak kristalleşir.

Fullerenler, grafit benzeri bir yapıya sahip sentetik bir kristal oluşumudur, ancak sadece düz altıgen hücreler yerine, fullerenlerin oluşturulduğu hücrelerin bazıları pentagons, düzlemsel olmayan altıgenler ve hatta karbon atomlarının heptagoları olabilir. Levhalar böylece kürelere, elipslere veya silindirlere bükülür. Fullerenlerin (buckyballs, buckytubes ve nanobuds'a bölünmüş) özellikleri henüz tam olarak analiz edilmemiştir ve nanomalzemelerde yoğun bir araştırma alanını temsil etmektedir. Fulleren ve buckyball isimleri, fullerenlerin yapısına benzeyen jeodezik kubbelerin popülerleştiricisi Richard Buckminster Fuller'dan adı verilmiştir. Buckyball'lar, tamamen trigonal olarak bağlanmış karbondan oluşan, sferoidler oluşturan (en bilinen ve en basit olanı futbol topu şeklindeki C₆₀ buckminsterfullerendir) oldukça büyük moleküllerdir. Karbon nanotüpler (buckytubes) yapısal olarak buckyball'lara benzer, ancak her atomun içi boş bir silindir oluşturan kavisli bir tabakaya trigonal olarak bağlanır. Nanobudlar ilk olarak 2007 yılında bildirilmiştir ve her ikisinin özelliklerini tek bir yapıda birleştiren hibrid buckytube / buckyball malzemeleridir (buckyballs bir nanotüpün dış duvarına kovalent olarak bağlanmıştır).

Kuyruklu yıldız C/2014 Q2 (Lovejoy) parlayan karbon buharıyla çevrili

Diğer keşfedilen allotroplardan karbon nanofoam, 1997 yılında keşfedilen bir ferromanyetik allotroptur. Atomların altı ve yedi üyeli halkalarda trigonal olarak bağlandığı gevşek üç boyutlu bir ağda birbirine bağlanmış düşük yoğunluklu bir karbon atomu kümesinden oluşur. Yaklaşık 2 kg/m3 yoğunluğuyla bilinen en hafif katılar arasındadır. Benzer şekilde, camsı karbon yüksek oranda kapalı gözeneklilik içerir, ancak normal grafitin aksine, grafitik katmanlar bir kitaptaki sayfalar gibi istiflenmez, ancak daha rastgele bir düzenlemeye sahiptir. Doğrusal asetilenik karbonun kimyasal yapısı vardır -(C:::C)_n−. Bu modifikasyondaki karbon sp orbital hibridizasyonu ile lineerdir ve alternatif tek ve üçlü bağlara sahip bir polimerdir. Bu carbyne, Young modülü bilinen en zor malzeme olan elmasın 40 katı olduğundan nanoteknolojiye büyük ilgi duyuyor.

2015 yılında, North Carolina State University'deki bir ekip, amorf karbon tozu üzerinde yüksek enerjili düşük süreli bir lazer darbesi ile oluşturulan Q-karbon adını verdikleri başka bir allotrop geliştirdiğini açıkladı. Q-karbonun ferromanyetizma, flüoresans ve elmaslardan üstün bir sertlik sergilediği bildirilmektedir.

Buhar fazında, karbonun bir kısmı dikarbon (C2) formundadır. uyarıldığında, bu gaz yeşil yanar.

Oluşum

Karbon, hidrojen, helyum ve oksijenden sonra kütle olarak gözlemlenebilir evrende dördüncü en bol kimyasal elementtir. Karbon Güneş, yıldızlar, kuyruklu yıldızlar ve çoğu gezegenin atmosferinde bol miktarda bulunur. Bazı meteoritler, güneş sistemi hala protoplantary bir disk olduğunda oluşan mikroskobik elmaslar içerir. Mikroskobik elmaslar, göktaşı çarpma yerlerindeki yoğun basınç ve yüksek sıcaklıktan da oluşabilir.

2014 yılında NASA, evrendeki polisiklik aromatik hidrokarbonları (PAH) izlemek için büyük ölçüde yükseltilmiş bir veritabanı açıkladı. Evrendeki karbonun %20'sinden fazlası PAH'lar, oksijensiz karmaşık karbon ve hidrojen bileşikleri ile ilişkili olabilir. Bu bileşikler, PAH dünya hipotezinde, abiogenezde ve yaşam oluşumunda rol oynadığı varsayıldıkları anlamına gelir. PAH'lar Büyük Patlama'dan sonra "birkaç milyar yıl içinde" oluşmuş gibi görünüyor, evrende yaygın ve yeni yıldızlar ve dış gezegenlerle ilişkilendiriliyor.

Katı toprağın bir bütün olarak 730 ppm karbon içerdiği, çekirdekte 2000 ppm ve kombine manto ve kabukta 120 ppm olduğu tahmin edilmektedir. Dünyanın kütlesi 5.972 × 10²⁴ kg olduğundan, bu 4360 milyon gigaton karbon anlamına gelir. Bu, okyanuslardaki veya atmosferdeki karbon miktarından çok daha fazladır.

Karbon dioksit içindeki oksijen ile kombinasyon halinde, karbon Dünya atmosferinde (yaklaşık 900 gigaton karbon - her ppm 2,13 Gt'a karşılık gelir) bulunur ve tüm su kütlelerinde (yaklaşık 36,000 gigaton karbon) çözülür. Biyosferdeki karbonun 550 gigatonnes olduğu tahmin edildi, ancak büyük ölçüde karasal derin yeraltı bakterileri miktarındaki büyük bir belirsizlik nedeniyle büyük bir belirsizlikle tahmin edildi. Hidrokarbonlar (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) de karbon içerir. Kömür "rezervleri" ("kaynaklar" değil), muhtemelen 18.000 Gt kaynak ile yaklaşık 900 gigaton'dur. Petrol rezervleri yaklaşık 150 gigatonndur. Kanıtlanmış doğal gaz kaynakları yaklaşık 175×10¹² metreküp (yaklaşık 105 gigaton karbon içerir), ancak çalışmalar yaklaşık 540 gigaton karbonu temsil eden 900×10¹² metreküp şeyl gazı gibi "alışılmadık" birikimleri tahmin etmektedir.

Karbon ayrıca kutup bölgelerindeki ve denizlerin altındaki metan hidratlarda da bulunur. Çeşitli tahminler bu karbonu 500, 2500 Gt veya 3.000 Gt arasına koydu.

Geçmişte, hidrokarbon miktarları daha fazlaydı. Bir kaynağa göre, 1751'den 2008'e kadar olan dönemde fosil yakıtların yakılmasından atmosfere yaklaşık 347 gigatonn karbon karbondioksit olarak salındı. Başka bir kaynak, 1750'den beri bu döneme ait atmosfere eklenen miktarı 879 Gt'ye ve toplam atmosfere, denize ve karaya (turba bataklıkları gibi) neredeyse 2.000 Gt'ye koyuyor.

Karbon, çok büyük karbonat kaya kütlelerinin (kireçtaşı, dolomit, mermer ve benzeri) bir bileşenidir (kütlece yaklaşık %12). Kömür karbon bakımından çok zengindir (antrasit %92-98 içerir) ve en büyük ticari mineral karbon kaynağıdır ve 4.000 gigaton ya da %80 fosil yakıttan sorumludur.

Bireysel karbon allotroplarına gelince, grafit Amerika Birleşik Devletleri'nde (çoğunlukla New York ve Teksas'ta), Rusya, Meksika, Grönland ve Hindistan'da büyük miktarlarda bulunur. Doğal elmaslar, eski volkanik "boyunlarda" veya "borularda" bulunan kaya kimberlitinde meydana gelir. Elmas yataklarının çoğu Afrika'da, özellikle Güney Afrika, Namibya, Botsvana, Kongo Cumhuriyeti ve Sierra Leone'de bulnur. Elmas yatakları Arkansas, Kanada, Rus Arktik, Brezilya ve Kuzey ve Batı Avustralya'da da bulunmuştur. Elmaslar artık Ümit Burnu'nun okyanus tabanından da kurtarılıyor. Elmaslar doğal olarak bulunur, ancak ABD'de kullanılan tüm endüstriyel elmasların yaklaşık %30'u üretilmektedir.

Karbon-14, troposferin üst katmanlarında ve stratosferin, kozmik ışınlar tarafından çöktürülen bir reaksiyonla 9-15 km yükseklikte oluşur. Azot-14 çekirdekleri ile çarpışan, karbon-14 ve bir proton oluşturan termal nötronlar üretilir. Bu itibarla, %1.5 x 10^-10 atmosferik karbon dioksit karbon-14 içerir.

Karbon bakımından zengin asteroitler, güneş sistemimizdeki asteroit kuşağının dış kısımlarında nispeten baskındır. Bu asteroitler henüz bilim adamları tarafından doğrudan örneklenmemiştir. Asteroitler, gelecekte mümkün olabilecek ancak şu anda teknolojik olarak imkansız olan varsayımsal uzay tabanlı karbon madenciliğinde kullanılabilir.

izotopları

Karbon izotopları altı proton artı bir dizi nötron (2 ila 16 arasında değişen) içeren atom çekirdeğidir. Karbonun iki kararlı, doğal olarak oluşan izotopu vardır. İzotop karbon-12 (¹²C) yeryüzündeki karbonun %98.93'ünü oluştururken, karbon-13 (¹³C) %1.07'sini oluşturur. Biyokimyasal reaksiyonlar ¹³C'ye karşı ayrımcılık yaptığı için biyolojik materyallerde ¹²C konsantrasyonu daha da artar. 1961 yılında, Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC), atom ağırlıkları için temel olarak izotop karbon-12'yi benimsedi. Nükleer manyetik rezonans (NMR) deneylerinde karbonun tanımlanması, izotop ¹³C ile yapılır.

Karbon-14 (¹⁴C), azotun kozmik ışınlarla etkileşimi ile üst atmosferde (alt stratosfer ve üst troposfer) oluşturulan doğal olarak oluşan bir radyoizotoptur. Dünya üzerinde trilyon başına 1 kısım (% 0.0000000001) veya daha fazla eser miktarda bulunur, çoğunlukla atmosfere ve yüzeysel birikintilere, özellikle de turba ve diğer organik malzemelere sınırlıdır. Bu izotop 0.158 MeV β− emisyonu ile bozunur. 5730 yıllık nispeten kısa yarılanma ömrü nedeniyle, ¹⁴C eski kayalarda neredeyse yoktur. Atmosferdeki ve canlı organizmalardaki ¹⁴C miktarı neredeyse sabittir, ancak ölümden sonra vücutlarında tahmin edilebilir şekilde azalır. Bu ilke, yaklaşık 40.000 yaşına kadar karbonlu malzemelerin yaşını belirlemek için yaygın olarak kullanılan 1949'da icat edilen radyokarbon tarihlemesinde kullanılır.

Bilinen 15 karbon izotopu vardır ve bunların en kısa ömürlüleri ⁸C'dir ve proton emisyonu ve alfa bozunumu ile bozulur ve 1.98739×10⁻²¹ s yarılanma ömrüne sahiptir. Egzotik ¹⁹C bir nükleer halo sergiler, yani çekirdek sabit bir küre ise yarıçapı beklenenden daha büyüktür.

Yıldızlarda oluşum

Karbon atom çekirdeğinin oluşumu, üçlü alfa süreci boyunca dev veya süper bir yıldız içinde meydana gelir. Bu, helyumun hidrojen veya başka bir helyum çekirdeği ile daha fazla nükleer füzyon reaksiyonunun ürünleri sırasıyla lityum-5 ve berilyum-8 ürettiği için, neredeyse aynı anda üç alfa parçacığının (helyum çekirdekleri) çarpışmasını gerektirir; anında daha küçük çekirdeklere dönüşür. Üçlü alfa işlemi, 100 megakelinlerin üzerindeki sıcaklıklarda ve erken evrenin hızlı genişlemesinin ve soğutulmasının yasak olduğu helyum konsantrasyonu koşullarında gerçekleşir ve bu nedenle Big Bang sırasında önemli bir karbon oluşmamıştır.

Mevcut fiziksel kozmoloji teorisine göre, yatay düzlemdiki kolunda yıldızların iç kısımlarında karbon oluşur. Büyük yıldızlar süpernova olarak öldüğünde, karbon uzaya toz olarak dağılır. Bu toz, birikmiş gezegenlere sahip yeni nesil yıldız sistemlerinin oluşumu için bileşen malzeme haline gelir. Güneş Sistemi, bol miktarda karbon bulunan ve bildiğimiz gibi yaşamın varlığını sağlayan böyle bir yıldız sistemidir.

CNO döngüsü, yıldızlara güç veren ilave bir hidrojen füzyon mekanizmasıdır, burada karbon bir katalizör olarak çalışır.

Karbon monoksitin çeşitli izotopik formlarının (örneğin, ¹²CO, ¹³CO ve ¹⁸CO) dönme geçişleri, milimetre-altı dalga boyu aralığında saptanabilir ve moleküler bulutlarda yeni oluşan yıldızların incelenmesinde kullanılır.

Karbon döngüsü

Karasal koşullar altında, bir elementin diğerine dönüşümü çok nadirdir. Bu nedenle, Dünyadaki karbon miktarı etkili bir şekilde sabittir. Bu nedenle, karbon kullanan süreçler onu bir yerden almalı ve başka bir yere atmalıdır. Ortamdaki karbon yolları karbon döngüsünü oluşturur. Örneğin, fotosentetik bitkiler atmosferden (veya deniz suyundan) karbondioksit çeker ve bunu bir karbon fiksasyon süreci olan Calvin döngüsünde olduğu gibi biyokütleye dönüştürür. Bu biyokütlenin bir kısmı hayvanlar tarafından yenilirken, bir kısmı karbon hayvanlar tarafından karbondioksit olarak dışarı verilir. Karbon döngüsü bu kısa döngüden çok daha karmaşıktır; örneğin, bazı karbon dioksit okyanuslarda çözülür; bakteriler tüketmezse, ölü bitki veya hayvan maddeleri petrol veya kömür haline gelebilir, bu da yakıldığında karbon salar.

Bileşikler

Organik bileşikler

Karbon, katenasyon adı verilen bir özellik olan birbirine bağlanan karbon-karbon bağlarının çok uzun zincirlerini oluşturabilir. Karbon-karbon bağları güçlü ve kararlıdır. Katenasyon yoluyla karbon sayısız bileşik oluşturur. Benzersiz bileşiklerin bir çetelesi, karbondan daha fazla içermediğini gösterir. Benzer bir iddia hidrojen için yapılabilir, çünkü çoğu organik bileşik karbona kimyasal olarak bağlanmış hidrojen veya oksijen veya azot gibi başka bir ortak element içerir.

Organik bir molekülün en basit şekli, bir karbon atomu zincirine bağlı hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik molekül ailesi olan hidrokarbondur. Bir hidrokarbon omurgası, heteroatomlar olarak bilinen diğer atomlarla ikame edilebilir. Organik bileşiklerde görülen yaygın heteroatomlar arasında oksijen, azot, kükürt, fosfor ve radyoaktif olmayan halojenler ile metal lityum ve magnezyum bulunur. Metale bağlar içeren organik bileşikler organometalik bileşikler olarak bilinir (aşağıya bakınız). Genellikle heteroatomlar da dahil olmak üzere bazı atom grupları, çok sayıda organik bileşikte tekrar eder. Fonksiyonel gruplar olarak bilinen bu koleksiyonlar, ortak reaktivite modelleri sunar ve organik bileşiklerin sistematik olarak incelenmesine ve sınıflandırılmasına izin verir. Zincir uzunluğu, şekli ve fonksiyonel gruplarının hepsi organik moleküllerin özelliklerini etkiler.

En kararlı karbon bileşiklerinde (ve hemen hemen tüm kararlı organik bileşiklerde), oktet kuralına uyar ve dört değerlidir, yani bir karbon atomu toplam dört kovalent bağ oluşturur (bunlar çift ve üçlü bağlar içerebilir). İstisnalar arasında az sayıda stabilize karbokasyon (üç bağ, pozitif yük), radikaller (üç bağ, nötr), karbanyonlar (üç bağ, negatif yük) ve karbenler (iki bağ, nötr) bulunur, ancak bu türlerin daha fazla olması muhtemeldir. kararsız, reaktif ara ürünler olarak karşılaşıldı.

Karbon bilinen tüm organik yaşamda oluşur ve organik kimyanın temelini oluşturur. Hidrojen ile birleştiğinde, soğutucu akışkanlar, yağlayıcılar, çözücüler, plastik ve petrokimyasalların üretimi için kimyasal hammadde ve fosil yakıtlar olarak sanayi için önemli olan çeşitli hidrokarbonlar oluşturur.

Oksijen ve hidrojen ile birleştirildiğinde karbon, şekerler, lignanlar, kitinler, alkoller, yağlar ve aromatik esterler, karotenoidler ve terpenler dahil olmak üzere birçok önemli biyolojik bileşik grubu oluşturabilir. Azot ile alkaloidler oluşturur ve sülfür ilavesiyle antibiyotikler, amino asitler ve kauçuk ürünler oluşturur. Bu diğer elementlere fosfor ilavesiyle, yaşamın kimyasal kod taşıyıcıları olan DNA ve RNA'yı ve tüm canlı hücrelerde en önemli enerji transfer molekülü olan adenozin trifosfat (ATP) oluşturur.

İnorganik bileşikler

Minerallerle ilişkili olan veya diğer karbon atomlarına, halojenlere veya hidrojene bağ içermeyen yaygın olarak karbon içeren bileşikler, klasik organik bileşiklerden ayrı olarak işlenir; tanım katı değildir ve bazı bileşiklerin sınıflandırılması yazardan yazara değişebilir. Bunlar arasında basit karbon oksitler bulunur. En belirgin oksit karbondioksittir (CO₂). Bu bir zamanlar paleo atmosferin temel kurucusuydu, ancak bugün Dünya atmosferinin küçük bir bileşeniydi. Suda çözündürüldüğünde karbonik asit (H₂CO₃) oluşturur, ancak tek bir karbon üzerinde birden fazla tek bağlı oksijene sahip çoğu bileşik olarak kararsızdır. Bununla birlikte, bu ara madde vasıtasıyla rezonans stabilize karbonat iyonları üretilir. Bazı önemli mineraller karbonatlar, özellikle kalsittir. Karbon disülfür (CS₂) benzerdir. Bununla birlikte, fiziksel özellikleri ve organik sentez ile ilişkisi nedeniyle, karbon disülfid bazen organik bir çözücü olarak sınıflandırılır.

Diğer yaygın oksit karbon monoksittir (CO). Eksik yanma ile oluşur ve renksiz, kokusuz bir gazdır. Moleküllerin her biri üçlü bir bağ içerir ve oldukça polar olup, daha düşük bir bağlanma afinitesine sahip olan oksijeni değiştirerek hemoglobin moleküllerine kalıcı olarak bağlanma eğilimi ile sonuçlanır. Siyanür (CN⁻), benzer bir yapıya sahiptir, ancak bir halid iyonu (psödohalojen) gibi davranır. Örneğin, diyatomik halojenürlere benzer şekilde nitrür siyanojen molekülünü ((CN)₂) oluşturabilir. Benzer şekilde, siyanür, siyafür (CP⁻) 'nin daha ağır analogu da inorganik olarak kabul edilir, ancak çoğu basit türev son derece kararsızdır. Diğer nadir oksitler karbon suboksit (C₃O₂), kararsız dikarbon monoksit (C₂O), karbon trioksit (CO₃), siklopentanepenton (C₅O5), sikloheksanhekson (C₆O₆) ve mellitik anhidrittir (C₁₂O₉). Bununla birlikte, mellitik anhidrit, mellitik asidin üçlü asil anhidrididir; ayrıca bir benzen halkası içerir. Böylece, birçok kimyager organik olduğunu düşünüyor.

Tungsten gibi reaktif metallerle karbon, yüksek erime noktalarına sahip alaşımlar oluşturmak için karbürleri (C⁴⁻) veya asetilitleri (C2−
2) oluşturur. Bu anyonlar, her ikisi de çok zayıf asitler olan metan ve asetilen ile de ilişkilidir. 2.5 elektronegatifliği ile karbon kovalent bağlar oluşturmayı tercih eder. Birkaç karbür, elmasa benzeyen karborundum (SiC) gibi kovalent kafeslerdir. Bununla birlikte, karbürlerin en polar ve tuz benzeri bile tamamen iyonik bileşikler değildir.

Organometalik bileşikler

Tanımı gereği organometalik bileşikler en az bir karbon-metal kovalent bağı içerir. Bu tür bileşiklerin geniş bir aralığı vardır; ana sınıflar arasında basit alkil-metal bileşikleri (örneğin, tetraetil kurşun), η²-alken bileşikleri (örneğin, Zeise tuzu) ve η³-alil bileşikleri (örneğin, alilpalladyum klorür dimer); siklopentadienil ligandları içeren metalosenler (örneğin, ferrosen); ve geçiş metali karben kompleksleri. Birçok metal karbonil ve metal siyanür vardır (örneğin, tetrakarbonilnickel ve potasyum ferrisiyanid); bazı işçiler, diğer karbon ligandları olmayan metal karbonil ve siyanür komplekslerini organometalik değil, tamamen inorganik olarak görürler. Bununla birlikte, çoğu organometalik kimyagerler, herhangi bir karbon ligandına sahip metal kompleksleri, hatta 'inorganik karbon' (örneğin, karboniller, siyanürler ve belirli karbürler ve asetilidler) bile doğada organometalik olarak kabul eder. Karbon-metal kovalent bağı olmayan organik ligandlar içeren metal kompleksleri (örneğin, metal karboksilatlar) metalorganik bileşikler olarak adlandırılır.

Karbonun dört kovalent bağ oluşumunu kuvvetle tercih ettiği anlaşılsa da, diğer egzotik bağlanma şemaları da bilinmektedir. Karboranlar [B₁₂H₁₂]^2- biriminin oldukça kararlı dodekahedral türevleridir, bir BH bir CH⁺ ile değiştirilir. Böylece, karbon beş bor atomuna ve bir hidrojen atomuna bağlanır. Katyon [(Ph₃PAu)₆C]²⁺ altı fosfin altın parçasına bağlı bir oktahedral karbon içerir. Bu fenomen, aksi takdirde kararsız bir türün ek stabilizasyonunu sağlayan altın ligandlarının aurofilikliğine atfedilmiştir. Doğada, mikrobiyal azot fiksasyonundan sorumlu demir-molibden kofaktörü (FeMoco) benzer şekilde altı demir atomuna bağlı bir oktahedral karbon merkezine (resmi olarak bir karbür, C(-IV)) sahiptir. 2016 yılında, önceki teorik tahminlere paralel olarak, hekzametilbenzen dikte etmenin altı bağı olan bir karbon atomu içerdiği doğrulandı. Daha spesifik olarak, diksiyon yapısal olarak [MeC(η⁵-C₅Me₅)]²⁺ formülasyonu ile tarif edilebilir, bu da onu bir MeC³⁺ parçasının beş karbonunun hepsinden bir η⁵-C₅Me₅⁻ parçasına bağlandığı bir "organik metalosen" haline getirebilir.

Yukarıdaki durumlarda, karbona bağların her birinin ikiden az biçimsel elektron çifti içerdiğine dikkat etmek önemlidir. Bu nedenle, bu türlerin biçimsel elektron sayısı bir okteti aşmaz. Bu onları hiper koordinat yapar, ancak hipervalent yapmaz. Akiba ve meslektaşları tarafından bildirildiği gibi, 10-C-5 türü olduğu iddia edilen durumlarda bile (yani beş ligandlı bir karbon ve onluk bir elektron sayısı), elektronik yapı hesaplamaları karbon çevresindeki elektron popülasyonunun hala olduğu sonucuna varıyor sekizden az, dört elektronlu üç merkezli birleştirme içeren diğer bileşikler için de geçerlidir.

Tarih ve etimoloji

İngilizce adı carbon, kömür ve maden kömürü için Latin karbondan gelirken, kömür anlamına gelen Fransızca charbon analmına gelir. Almanca, Hollandaca ve Danca dillerinde karbon isimleri sırasıyla Kohlenstoff, koolstof ve kulstof'tur ve hepsi de kömür-madde anlamına gelir.

Karbon tarih öncesi dönemde keşfedildi ve en eski insan uygarlıklarına is ve odun kömürü biçiminde biliniyordu. Elmaslar muhtemelen Çin'de MÖ 2500 kadar erken bir tarihte bilinirken, odun kömürü şeklindeki karbon, havayı uzak tutmak için kil ile kaplı bir piramitte odun ısıtılarak bugünkü aynı kimya ile Roma dönemlerinde yapılmıştır.

1722'de René Antoine Ferchault de Réaumur, demirin şu anda karbon olduğu bilinen bir maddenin emilmesi yoluyla çeliğe dönüştüğünü gösterdi. 1772'de Antoine Lavoisier elmasların bir karbon türü olduğunu gösterdi; kömür ve elmas örneklerini yaktığında ve her ikisinin de su üretmediğini ve her ikisinin de gram başına aynı miktarda karbondioksit saldığını buldu. 1779 yılında, Carl Wilhelm Scheele bir kurşun şekli olarak düşünülen grafitin kömürle özdeş olduğunu, ancak küçük bir demir katkısıyla olduğunu ve "hava asidi" (karbondioksit adı) verdiğini gösterdi nitrik asit ile oksitlenir. 1786'da Fransız bilim adamları Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge ve C. A. Vandermonde, grafitin Lavoisier'in elmasla yaptığı gibi oksijende okside ederek çoğunlukla karbon olduğunu doğruladı. Fransız bilim adamlarının grafit yapı için gerekli olduğunu düşündüğü bir miktar demir kaldı. Yayınlarında grafitin yanması üzerine bir gaz olarak verilen grafitte element için karbon (Latince karbon) adını önerdiler. Antoine Lavoisier daha sonra 1789 ders kitabında karbonu bir element olarak listeledi.

1985 yılında keşfedilen yeni bir karbon fulleren allotropu, buckyballs ve nanotubes gibi nanoyapılı formları içerir. Keşifçileri - Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley - 1996'da Nobel Kimya Ödülü'nü aldılar. Sonuçta yeni formlara olan ilginin artması, camsı karbon da dahil olmak üzere başka egzotik allotropların keşfedilmesine ve "amorf karbon" un kesinlikle amorf olmadığının farkına yol açmaktadır.

Üretim

Grafit

Ticari olarak uygun doğal grafit yatakları dünyanın birçok yerinde görülür, ancak ekonomik olarak en önemli kaynaklar Çin, Hindistan, Brezilya ve Kuzey Kore'de bulunur. Grafit yatakları, şistlerde, gnayslarda ve metamorfize kumtaşı ve kireçtaşında kuvars, mika ve feldispatlar ile ilişkili olarak, bazen bir metre veya daha fazla kalınlıkta lens veya damar olarak bulunan metamorfik kökenlidir. İngiltere, Borberdale, Cumberland, İngiltere'deki grafit yatakları, 19. yüzyıla kadar, ahşap şeritleri kaplamadan önce kalemlerin sadece doğal grafit bloklarını şeritler halinde keserek yapıldığı yeterli büyüklük ve saflıkta idi. Günümüzde, ana kayayı ezerek ve daha hafif grafiti su üzerinde yüzerek daha küçük grafit birikintileri elde edilmektedir.

Üç tür doğal grafit vardır: şekilsiz, pul veya kristal pul ve damar veya yumru. Amorf grafit en düşük kalitedir ve en boldur. Bilimin aksine, sanayide "amorf", tam kristal yapı eksikliğinden ziyade çok küçük kristal boyutuna karşılık gelir. Amorf düşük değerli grafit ürünler için kullanılır ve en düşük fiyatlı grafittir. Büyük amorf grafit yatakları Çin, Avrupa, Meksika ve ABD'de bulunur. Pul grafit, amorfdan daha az yaygın ve daha kalitelidir; metamorfik kayaçta kristalleşen ayrı plakalar halinde oluşur. Pul grafit amorf fiyatın dört katı olabilir. Kaliteli pullar, alev geciktiriciler gibi birçok kullanım için genişletilebilir grafite dönüştürülebilir. En başta gelen maden yatakları Avusturya, Brezilya, Kanada, Çin, Almanya ve Madagaskar'da bulunmaktadır. Damar veya yumru grafiti en nadir, en değerli ve en kaliteli doğal grafit türüdür. Katı topaklar içindeki müdahaleci temaslar boyunca damarlarda görülür ve sadece ticari olarak Sri Lanka'da çıkarılır.

USGS'ye göre, 2010 yılında dünya doğal grafit üretimi 1,1 milyon ton olup, Çin 800.000 ton, Hindistan 130.000 ton, Brezilya 76.000 ton, Kuzey Kore 30.000 ton ve Kanada 25.000 ton katkıda bulunmuştur. Amerika Birleşik Devletleri'nde doğal maden grafit rapor edilmemiştir, ancak 2009 yılında tahmini değeri 998 milyon dolar olan 118.000 ton sentetik grafit üretilmiştir.

Elmas

2005 yılında Elmas çıkıarım haritası

Elmas tedarik zinciri sınırlı sayıda güçlü işletme tarafından kontrol edilir ve ayrıca dünyadaki az sayıda yerde yoğunlaşmıştır (şekle bakınız).

Elmas cevherinin sadece çok küçük bir kısmı gerçek elmaslardan oluşur. Cevher ezilir, bu sırada daha büyük elmasların bu süreçte imha edilmesini önlemek için özen gösterilmelidir ve daha sonra parçacıklar yoğunluğa göre sıralanır. Günümüzde elmaslar, X-ışını floresansının yardımıyla elmas bakımından zengin yoğunluk bölümünde yer almaktadır, daha sonra son sıralama aşamaları elle yapılmaktadır. X-ışınlarının kullanımı yaygınlaşmadan önce, ayırma gres kayışları ile yapıldı; elmaslar, cevherdeki diğer minerallerden daha grese yapışma eğilimindedir.

Tarihsel olarak elmasların sadece güney Hindistan'daki alüvyon yataklarında bulunduğu biliniyordu.Hindistan, elmas üretimindeki dünyayı keşiflerinden MÖ 9. yüzyılda MS 18. yüzyılın ortalarına kadar götürdü, ancak bu kaynakların ticari potansiyeli 18. yüzyılın sonlarına kadar tükenmişti ve o zaman Hindistan tarafından gölgede bırakıldı. İlk Hint olmayan elmasların 1725'te Brezilya bulundu.

Birincil yatakların (kimberlitler ve lamproitler) elmas üretimi, ancak Güney Afrika'daki elmas alanlarının keşfinden sonra 1870'lerde başladı. Üretim zamanla arttı ve şimdi bu tarihten itibaren toplam 4,5 milyar karat çıkarıldı. Bu miktarın yaklaşık %20'si sadece son 5 yılda çıkarılmış ve son on yıl içinde 9 yeni maden üretilmeye başlanmış, 4 tanesi de yakında açılmayı bekliyor. Bu madenlerin çoğu Kanada, Zimbabve, Angola ve Rusya'da bir madende bulunmaktadır.

Amerika Birleşik Devletleri'nde Arkansas, Colorado ve Montana'da elmaslar bulundu. 2004 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'nde mikroskobik bir elmasın şaşırtıcı bir keşfi, Ocak 2008'de Montana'nın uzak bir bölümünde kimberlit borularının toplu olarak örneklenmesine yol açtı.

Bugün, ticari olarak en uygun elmas yatakları Rusya, Botsvana, Avustralya ve Demokratik Kongo Cumhuriyeti'ndedir. İngiliz Jeoloji Araştırması, 2005 yılında Rusya'nın küresel elmas üretiminin neredeyse beşte birini ürettiğini bildirdi. Avustralya, 1990'larda yılda 42 metrik ton (41 uzun ton; 46 kısa ton) zirveye ulaşan en zengin çaplı boruya sahiptir. Ayrıca Kanada'nın Kuzeybatı Toprakları, Sibirya'da (çoğunlukla Yakutya topraklarında; örneğin Mir boru ve Udachnaya boru), Brezilya ve Kuzey ve Batı Avustralya'da aktif olarak ticari maden yatakları bulunmaktadır.

Uygulamalar

Karbon, bilinen tüm canlı sistemler için gereklidir ve onsuz yaşamın var olamayacağını biliyoruz (alternatif biyokimyaya bakınız). Karbonun gıda ve odun dışındaki en büyük ekonomik kullanımı hidrokarbonlar, özellikle fosil yakıt metan gazı ve ham petrol (petrol) şeklindedir. Ham petrol, petrol, gazyağı ve diğer ürünler üretmek için petrokimya endüstrisi tarafından rafinerilerde damıtılır. Selüloz, bitkiler tarafından odun, pamuk, keten ve kenevir şeklinde üretilen doğal, karbon içeren bir polimerdir. Selüloz öncelikle bitkilerdeki yapıyı korumak için kullanılır. Ticari olarak değerli hayvansal kökenli karbon polimerleri arasında yün, kaşmir ve ipek bulunur. Plastikler, ana polimer zincirinde düzenli aralıklarla dahil edilen oksijen ve azot atomları ile sentetik karbon polimerlerinden yapılır. Bu sentetik maddelerin birçoğu için hammaddeler ham petrolden gelir.

Karbon ve bileşiklerinin kullanımı oldukça çeşitlidir. En yaygın karbon çeliği olan demir içeren alaşımlar oluşturabilir. Grafit, yazma ve çizim için kullanılan kalemlerde kullanılan 'kurşun' oluşturmak için killerle birleştirilir. Aynı zamanda bir yağlayıcı ve bir pigment olarak, cam üretiminde bir kalıp malzemesi olarak, kuru piller için elektrotlarda ve elektrokaplama ve elektro şekillendirmede, elektrik motorları için fırçalarda ve nükleer reaktörlerde nötron moderatörü olarak kullanılır.

Kömür, resim, barbekü ızgaraları, demir eritme ve diğer birçok uygulamada çizim malzemesi olarak kullanılır. Odun, kömür ve yağ enerji üretimi ve ısıtma için yakıt olarak kullanılır. Mücevher kalitesinde elmas takılarda, endüstriyel elmaslar metal ve taş işlemede delme, kesme ve parlatma takımlarında kullanılır. Plastikler fosil hidrokarbonlardan yapılır ve sentetik polyester elyafların pirolizi ile yapılan karbon elyaf, ileri, hafif kompozit malzemeler oluşturmak için plastikleri güçlendirmek için kullanılır.

Karbon fiber, poliakrilonitril (PAN) ve diğer organik maddelerin ekstrüde edilmiş ve gerilmiş filamentlerinin pirolizi ile yapılır. Elyafın kristalografik yapısı ve mekanik özellikleri, başlangıç malzemesinin tipine ve sonraki işleme bağlıdır. PAN'dan yapılan karbon fiberler, grafitin dar filamanlarına benzeyen bir yapıya sahiptir, ancak termal işleme, yapıyı sürekli bir rulo halinde yeniden sıralayabilir. Sonuç, çelikten daha yüksek özgül gerilme mukavemetine sahip liflerdir.

Karbon siyahı baskı mürekkebi, sanatçının yağlı boya ve su renkleri, karbon kağıdı, otomotiv kaplamaları, çini mürekkebi ve lazer yazıcı tonerinde siyah pigment olarak kullanılır. Karbon siyahı, lastikler gibi kauçuk ürünlerde ve plastik bileşiklerde dolgu maddesi olarak da kullanılır. Aktif kömür, gaz maskeleri, su arıtma ve mutfak aspiratörleri gibi çeşitli uygulamalarda filtre malzemesinde emici ve adsorban olarak ve tıpta sindirim sisteminden toksinleri, zehirleri veya gazları emmek için kullanılır. Karbon, yüksek sıcaklıklarda kimyasal indirgemede kullanılır. Kok, demir cevherini demire (eritme) azaltmak için kullanılır. Çeliğin sertleşmesi, bitmiş çelik bileşenlerin karbon tozu içinde ısıtılmasıyla elde edilir. Silisyum, tungsten, bor ve titanyum karbürleri bilinen en sert malzemeler arasındadır ve kesme ve taşlama takımlarında aşındırıcı olarak kullanılır. Karbon bileşikleri, doğal ve sentetik tekstil ve deri gibi giyimde kullanılan malzemelerin çoğunu ve inşaat ortamında cam, taş ve metal dışındaki neredeyse tüm iç yüzeyleri oluşturur.

Elmaslar

Elmas endüstrisi iki kategoriye ayrılır: biri mücevher sınıfı elmaslarla, diğeri endüstriyel sınıf elmaslarla uğraşır. Her iki elmas türünde de büyük bir ticaret olsa da, iki pazar önemli ölçüde farklı işlev görüyor.

Altın veya platin gibi değerli metallerin aksine, değerli elmaslar bir meta olarak ticaret yapmazlar: elmas satışında önemli bir işaretleme vardır ve elmasların yeniden satışı için çok aktif bir pazar yoktur.

Endüstriyel elmaslar çoğunlukla sertlikleri ve ısı iletkenlikleri için değerlidir, berraklık ve rengin gemolojik nitelikleri çoğunlukla önemsizdir. Maden elmaslarının yaklaşık %80'i (yılda yaklaşık 100 milyon karat veya 20 tona eşit), değerli taşlar endüstriyel kullanım için düştüğü için (uygun olarak bilinir) kullanım için uygun değildir. 1950'lerde icat edilen sentetik elmaslar hemen hemen endüstriyel uygulamalarda yer buldu; Yıllık 3 milyar karat (600 ton) sentetik elmas üretilmektedir.

Elmasın baskın endüstriyel kullanımı kesme, delme, taşlama ve parlatma işlemidir. Bu uygulamaların çoğu büyük elmas gerektirmez; Aslında, küçük boyutları dışında mücevher kalitesindeki elmasların çoğu endüstriyel olarak kullanılabilir. Elmaslar matkap uçlarına veya testere bıçaklarına gömülür veya taşlama ve parlatma uygulamalarında kullanılmak üzere bir toz haline getirilir. Özel uygulamalar arasında yüksek basınç deneyleri (bkz. Elmas örs hücresi) için muhafaza olarak laboratuvarlarda kullanım, yüksek performanslı rulmanlar ve özel pencerelerde sınırlı kullanım yer alır. Sentetik elmas üretiminde devam eden ilerlemelerle birlikte yeni uygulamalar mümkün hale geliyor. Elmasın mikroçipler için uygun bir yarı iletken olarak kullanılması ve olağanüstü ısı iletkenliği özelliği nedeniyle, elektronikte bir ısı alıcı olarak kullanılmasıdır.

Önlemler

Saf karbon insanlar için son derece düşük toksisiteye sahiptir ve grafit veya odun kömürü şeklinde güvenli bir şekilde kullanılabilir. Sindirim sisteminin asidik içeriğinde bile çözünmeye veya kimyasal saldırılara karşı dayanıklıdır. Sonuç olarak, vücudun dokularına girdiğinde, orada süresiz olarak kalması muhtemeldir. Karbon siyahı muhtemelen dövme için kullanılan ilk pigmentlerden biriydi ve Iceman Ötzi'nin hayatında ve ölümünden sonra 5200 yıl boyunca hayatta kalan karbon dövmelere sahip olduğu bulundu. Kömür tozunun veya kurumunun (karbon karası) büyük miktarlarda solunması tehlikeli olabilir, akciğer dokularını tahriş edebilir ve konjestif akciğer hastalığına, kömür işçisinin pnömokonyozuna neden olabilir. Aşındırıcı olarak kullanılan elmas tozu, yutulduğunda veya solunduğunda zararlı olabilir. Mikropartiküller karbon dizel motor egzoz dumanlarında üretilir ve akciğerlerde birikebilir. Bu örneklerde, zarar karbonun kendisinden ziyade kirleticilerden (örneğin organik kimyasallar, ağır metaller) kaynaklanabilir.

Karbon genellikle Dünya üzerindeki yaşam için düşük toksisiteye sahiptir; ancak karbon nanopartikülleri Drosophila için ölümcüldür.

Karbon, yüksek sıcaklıklarda hava varlığında kuvvetli ve parlak bir şekilde yanabilir. Oksijen olmadan yüz milyonlarca yıldır etkisiz kalan büyük kömür birikimleri, kömür madeni atık uçlarında, gemi kargo ambarlarında ve kömür bunkerlerinde ve gemi kargo ambarlarında havaya maruz kaldığında kendiliğinden yanabilir.

Grafitin nötron moderatörü olarak kullanıldığı nükleer uygulamalarda, Wigner enerjisinin birikmesi ve ardından ani, kendiliğinden salınım meydana gelebilir. En az 250 °C'ye tavlama, enerjiyi güvenli bir şekilde serbest bırakabilir, ancak Windscale yangında prosedür yanlış gitti ve diğer reaktör malzemelerinin yanmasına neden oldu.

Çok çeşitli karbon bileşikleri arasında tetrodotoksin, hintyağı bitkisi Ricinus communis, siyanür (CN−) ve karbon monoksit tohumlarından gelen lektin ricin; ve glikoz ve protein gibi yaşam için gerekli olan esaslardır.