عنصر کربن نام خود را از کلمه لاتین کاربو می گیرد، که به معنی "ذغال سنگ" است.کربن عنصری باورنکردنی است.
الماس و گرافیت یکی از سخت ترین و نرمترین مواد طبیعی شناخته شده است. تنها تفاوت بین این دو ساختار بلوری است.
عنصر کربن همچنین عنصر کلیدی برای اکثر حیات بر روی زمین است.و مبنای شگفتی های تکنولوژیکی مانند گرافن که یک ماده قوی تر از فولاد است و انعطاف پذیر تر از لاستیک است.
عنصرکربن به طور طبیعی به عنوان کربن-12 ظاهر می شود که تقریبا 99 درصد از کربن را در جهان تشکیل می دهد؛ کربن 13، که حدود 1 درصد را تشکیل می دهد؛ و کربن -14، که مقدار منفی کربن کلی را تشکیل می دهد، اما در ارزیابی اشیای ارگانیک بسیار مهم است.
DNA مولکول معروف دوبل با توانایی کربن برای تشکیل زنجیره های مولکولی طولانی امکان پذیر است.
حدود 10 میلیون ترکیبات کربن کشف شده است و دانشمندان بر این باورند که کربن سنگ بنای 95 درصد ترکیبات شناخته شده است. توانایی باور نکردنی کربن در ارتباط با بسیاری از عناصر دیگر دلیل اصلی آن است که تقریبا برای تمام زندگی حیاتی است.
عنصر کربن: از ستاره تا زندگی
بر طبق مرکز Swinburne Astrophysics و Supercomputing، به عنوان ششمین عنصر فراوان در جهان، کربن در بطن ستاره ها در یک واکنش به نام فرآیند سه گانه آلفا شکل می گیرد. اگرچه در بیگ بنگ ساخته نشد. عنصرکربن از طریق فرآیند سه گانه آلفا در ستارگان غول پیکر و ابرقدرت ساخته شده است.
در ستاره های بزرگتر که اکثر هیدروژن آن سوخته است هلیوم باقی مانده جمع می شود. هر هسته هلیوم دارای دو پروتون و دو نوترون است. در دمای بسیار بالا - بیشتر از 100،000،000 کلوین (17999999540.6 F) - هسته های هلیوم شروع به جوشیدن می کنند، ابتدا به عنوان جفت به هسته های بی پرولنی بی ثباتی ناپایدار، و در نهایت، به عنوان هسته های بریلیوم کافی به وجود می آیند،. نتیجه نهایی: اتم هایی با شش پروتون و شش نوترون - کربن.
عنصرکربن یک سازنده الگو ( یا به عبارتی خالق مدل) است.عنصر کربن می تواند به خود پیوند شود، تشکیل زنجیرهای طولانی و انعطاف پذیر به نام پلیمرها دهد ونیز می تواند با بیش از چهار اتم دیگر به دلیل تنظیم الکترون آن پیوند دهد. اتمهای یک هسته توسط یک ابر الکترونی منظم احاطه شده اند، که الکترونها در فاصله های مختلف از هسته قرار می گیرند. طبق گفته دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، متخصصان این فاصله ها را به عنوان پوسته ها در نظر می گیرند و خواص اتم ها را با آنچه در هر پوسته است تعریف می کنند.عنصر کربن دارای دو پوسته الکترون است، که اولین نگهدارنده دو الکترون و دوم نگه داشتن چهار تا از هشت فضای احتمالی است. هنگامی که اتم ها پیوند می دهند، الکترون ها را در پوسته دورتر خود به اشتراک می گذارند. کربن دارای چهار فضای خالی در پوسته بیرونی است که امکان اتصال آن به چهار اتم دیگر است
مدل ساختاری نانو لوله کربنی
تاریخچه کشف عنصر کربن
عنصر کربن از دوران باستان در قالب دوده، ذغال چوب، گرافیت و الماس شناخته شده است. البته، فرهنگ های باستان، متوجه نبودند که این مواد از اشکال مختلف یک عنصر مشابه بودند.
دانشمند فرانسوی Antoine Lavoisier آزمایش های مختلف انجام داد تا طبیعت عنصر کربن را آشکار سازد.
Lavoisier با استفاده از یک لنز غول پیکر در آزمایش های احتراق
در سال 1772 متخصصین شیمی الماس رادر یک شیشه بسته قرار دادند آنها شعاع خورشید را بر روی الماس با یک ذره بین بزرگ قابل توجهی متمرکز کردند و الماس را می سوزانند.
لاووئیسیر خاطر نشان کرد که وزن کلی شیشه بدون تغییر بوده و زمانی که آن را سوزاند، الماس با اکسیژن ترکیب و دی اکسید کربن را تشکیل دهد. او نتیجه گرفت که الماس و زغال چوب از همان عنصر - کربن ساخته شده است.
در سال 1779، کارل شیله، دانشمند سوئدی، نشان داد که گرافیت به شکل دی اکسید کربن سوزانده و بنابراین باید یک فرم دیگر از کربن باشد.
در سال 1796 شیمیدان انگلیسی اسمیتسون Tennant تأکید کرد که الماس کربن خالص است و نه ترکیب کربن؛
Tennantهمچنین ثابت کرد که وقتی مقادیر زغال سنگ و الماس برابر بود، آنها همان مقدار دی اکسید کربن را تولید کردند.
در سال 1855، بنجامین برودی، شیمیدان انگلیسی، گرافیت خالصی از کربن را تولید کرد و نشان داد که گرافیت یک نوع کربن است.
اگرچه پیش از این بدون موفقیت تلاش شده بود، در سال 1955 دانشمند آمریکایی فرانسیس باندی و همکارانش در نهایت نشان دادند که گرافیت را می توان در درجه حرارت بالا و فشار بالا به الماس تبدیل کرد.
در سال 1985، رابرت کورل، هری کرتو و ریچارد اسمالی کشف فولرین، شکل جدیدی از کربن را کشف کردند که در آن اتمها در شکلهای توپ فوتبال قرار دارند شناخته شده ترین فولرین باکمینستر buckminsterfullerene است که به نام C60 شناخته می شود و شامل 60 اتم کربن است. خانواده بزرگ از فولرین ها وجود دارد، شروع از C20 و رسیدن به C540.
تصویر فوق العاده منتشر شده توسط مایکل Ströck تحت مجوز مستندات آزاد گنو: ساختار هشت Allotropes از کربن: الماس b) گرافیت c) Lonsdaleite d) C60 (Buckminsterfullerene) e) C540 Fullerene f) C70 Fullerene g) کربن آمورف h ) نانولوله کربنی تک دیواره.
اخیرا کلوتروپ کربن گرافن کشف شده است که شامل لایه ی اتمی کربن شش ضلعی است. اگر این لایه ها بر روی یکدیگر انباشته شوند، گرافیت نتیجه می شود. گرافن ضخامت فقط یک اتم دارد.
کشف گرافن در سال 2004 توسط کستیا نووسلوف و آندره ژیم اعلام شد که از نوار چسب برای جدا کردن یک لایه اتم از گرافیت برای تولید آلوتروپ جدید استفاده کرد.
خصوصیات عنصر کربن
عدد اتمی (تعداد پروتون ها در هسته): 6
نماد اتمی (بر روی جدول تناوبی عناصر): C
وزن اتمی (میانگین جرم اتم): 12.0107
دانسیته: 2.2670 گرم در سانتیمتر مکعب
حالت آن در دمای اتاق: جامد
نقطه ذوب: 6،422 درجه فارنهایت (3550 درجه سانتیگراد
نقطه جوش: 6،872 درجه فارنهایت 3800 درجه سانتی گراد
تعداد ایزوتوپها: 15 ؛ دو ایزوتوپ پایدار، که اتم های یک عنصر با تعداد دیگری از نوترون ها هستند.
ایزوتوپ های رایج: کربن 12 (6 پروتون، 6 نوترون و 6 الکترون) و کربن 13 (6 پروتون، 7 نوترون و 6 الکترون)
اطلاعات جالب در مورد کربن
حدود 20 درصد از وزن موجودات زنده کربن است.
ترکیبات بیشتر شناخته شده حاوی کربن هستند.
الماس یک ساینده بسیار عالی است، زیرا آن سخت ترین مواد شناخته شده است و همچنین دارای بالاترین هدایت حرارتی است. این می تواند هر ماده را خرد کند، در حالی که گرما تولید شده توسط اصطکاک به سرعت هدایت می شود.
اتم های کربن در بدن شما بخشی از کربن دی اکسید کربن جو است.
گرافن ضخیم ترین و قوی ترین ماده شناخته شده است.
گرافن از بلورهای اتمی دو بعدی ساخته شده است، اولین بار چنین ساختاری دیده شده است.
گرافیت در یک مداد معمولی مکانیکی دارای قطر 0.7 میلی متر است. این برابر با 2 میلیون لایه گرافن است.
رینگ های خودرو سیاه هستند چرا که آنها حدود 30٪ کربن سیاه می باشند که برای تقویت آن به لاستیک اضافه می شود. همچنین کربن سیاه به محافظت در برابر آسیب UV به لاستیک ها کمک می کند.
کربن در ستارگان ساخته شده است وقتی هلیوم را در واکنش های همجوشی هسته ای می سوزانند. کربن بخشی از خاکستر است که بواسطه هلیوم بوجود می آید.
کربن واکنش های همجوشی هسته ای را در ستارگان سنگین انجام می دهد تا نئون، منیزیم و اکسیژن تولید کند.
کربن چهارمین عنصر فراوان در جهان است.
طبق اداره ملی اقیانوسی و اتمسفر (NOAA)، دی اکسید کربن (یک اتم کربن به همراه دو اتم اکسیژن) حدود 0.04 درصد از اتمسفر زمین را تشکیل می دهد که به دلیل سوختن سوخت های فسیلی افزایش یافته است.
منوکسید کربن (یک اتم کربن و یک اتم اکسیژن) یک گاز بی بو است که از سوختن سوخت های فسیلی تولید می شود. مونوکسید کربن با اتصال به هموگلوبین، ترکیب اکسیژن در خون،از بین می برد. بر طبق یک مقاله در مجله انجمن سلطنتی پزشکی 2001، منوکسید کربن به هموگلوبین 210 برابر بیشتر از اکسیژن به هموگلوبین متصل می شود، به طور موثر از بین بردن اکسیژن و خنثی کردن بافت ها.
الماس، پر جنب و جوش ترین نسخه کربن، تحت فشار زیادی درعمق پوسته زمین تشکیل شده است. بزرگترین الماس با کیفیت که تا کنون یافت شده، الماس Cullinan بود که در سال 1905 کشف شد. الماس برش نشده 3،106.75 قیراط بود. بزرگترین سنگ برش سنگی که در 530.2 قیراط است، یکی از جواهرات طلائی انگلستان است و به عنوان ستاره بزرگ آفریقا شناخته می شود.
ظاهر و مشخصات عنصر کربن
اثرات مضر:
کربن خالص بسیار کم سمیت دارد. استنشاق مقدار زیادی گرد و غبار کربن سیاه (گرد و غبار بخار / ذغال سنگ) می تواند موجب تحریک و صدمه به ریه ها شود.
مشخصات:
کربن می تواند با چندین ساختار 3 بعدی موجود باشد که در آن اتم های مختلف مرتب شده اند (allotropes).
سه Allotropes مشترک کریستالی گرافیت، الماس و (معمولا) فولرین هستند. گرافن دارای یک ساختار کریستال 2D است. (فولرزن گاهی اوقات در شکل غیررسمی وجود دارد.)
کربن همچنین می تواند در یک وضعیت بی نظیر وجود داشته باشد. بسیاری از Allotropes معمولا به عنوان آمورف نامیده می شوند، مانند کربن شیشه ای، بخار، و یا کربن سیاه معمولا ساختاربی نظم دارند. نانولوله های کریستالی مشاهده شده عموما بی رنگ هستند.
ساختار هشت انتگرال در پایین این صفحه نشان داده شده است.
جالب توجه است که گرافیت یکی از نرمترین مواد است و تا همین اواخر، الماس به سخت ترین ماده طبیعی شناخته شده است.
آلوتروپ فرم بسیار نادر کربن، lonsdaleite، به شکل خالص محاسبه شده است که 58٪ قوی تر از الماس است. Lonsdaleite یک شبکه کربن مانند الماس است که دارای ساختار شش ضلعی گرافیت است. این زمانی ساخته شده است که شهاب سنگ های حاوی گرافیت به بدنه زمین بصورت تصادفی برخورد کرده است درجه حرارت بالا و فشار گرافیت را به lonsdaleite تبدیل می کند.
کربن دارای بالاترین نقطه ذوب / ذوب شدن در بین تمام عناصر است و در فرم الماس دارای بالاترین هدایت حرارتی هر عنصر است.
هدایت حرارتی بالای الماس، منشا اصطلاح عامیانه "یخ" است. دراتاق معمولی، درجه حرارت بدن شما بالاتر از درجه حرارت اتاق است اگر شما الماس ها را لمس کنید، هدایت گرمائی بالای آن گرما را از پوست شما سریع تر از سایر مواد دیگر می گیرد. مغز شما این انتقال سریع انرژی گرما را از پوست شما تفسیر می کند به این معنی که شما چیزی را خیلی سرد می کنید - به طوری که الماس در دمای اتاق می تواند مانند یخ احساس شود.
موارد استفاده از عنصرکربن
عنصر کربن (به شکل زغال سنگ که عمدتا کربن است) به عنوان یک سوخت استفاده می شود.
گرافیت در مداد، در ظروف مخصوص ذوب فلزات با درجه حرارت بالا، سلول های خشک، الکترودها و به عنوان یک روان کننده استفاده می شود.
الماس ها در جواهرات استفاده می شود و به دلیل سخت بودن آن در صنعت برای برش، حفاری، سنگ زنی و پرداخت استفاده می شود.
کربن سیاه به عنوان رنگدانه سیاه در چاپ جوهر استفاده می شود.
کربن می تواند آلیاژهای آهن را تشکیل دهد که شایع ترین آنها فولاد کربن است.
ایزوتوپ رادیواکتیو 14C در قدمت باستان شناسی مورد استفاده قرار می گیرد.
ترکیبات کربنی در بسیاری از مناطق صنایع شیمیایی مهم هستند کربن شمار زیادی از ترکیبات با هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و سایر عناصر را تشکیل می دهد.
کربن سیاه، اولین رنگدانه مورد استفاده برای خال کوبی بود.
در سایت دانستنی دردانم از تک تک عناصر جدول تناوبی برایتان خواهیم گفت.
عنصر هیدروژن 
عنصر هلیوم چیست؟ 
عنصر بریلیوم 
لیتیوم چیست؟ 
عنصر بور 