6 C Karbon
Atommasse:
12,011
Fase (ved 25 °C):
Fast
Smeltepunkt:
3550 °C / 3823 K
Kokepunkt:
4027 °C / 4300 K
Vis flere fakta
Gruppe:
14
Periode:
2
Blokk:
p
Elektronkonfigurasjon:
[He]2s<sup>2</sup>2p<sup>2</sup>
Elektronegativitet:
2,55
Tetthet (ved 25 °C):
2,25 g/cm³
Vis færre fakta

Karbon

Det er vanskelig å utrope ett grunnstoff til det viktigste, men vi kan lett slå fast at det ikke hadde vært liv på jorden uten karbon. Karbon er det sentrale grunnstoffet i molekylene som bygger opp levende vesener. Både DNA, proteiner, karbohydrater og fett er bygget opp av ulike karbonstrukturer, selv om molekylene også inneholder andre atomer. Kroppen vår består av 18 % karbon, og det er ikke lite når 70 %  er vann. Karbonforbindelser er også viktige for mennesker på andre måter, blant annet som brensel. Plasten vi omgir oss med består også i stor grad av lange kjeder av karbonbaserte forbindelser.

Anvendelser

Grafitt. Foto: Rune Selbekk, Ki, UiO.

Karbon finnes i naturen i flere ulike former. Den vanligste formen er grafitt, det mørkegrå materialet du skriver med i blyanten din. I grafitt sitter karbonatomene sammen i flate lag, som lett kan skyves fra hverandre. Det skjer hver gang du tegner en strek med blyanten. Dette gjør grafitt til ett av de bløteste mineralene vi vet om.

Grafitt er også en viktig bestanddel i kullfiltre og aktivt kull. Kullfiltre og aktivt kull fungerer ved at andre stoffer blir sittende fast på overflaten eller inne i hulrom i grafitten. På denne måten kan man fjerne ulike forurensninger fra luft eller vann.Det er aktivt kull du finner i kulltabletter som brukes mot enkelte typer forgiftning.

Den andre formen til karbon som er godt kjent, er diamant. I diamant sitter karbonatomene sammen i en form som ligner pyramider med tre sider (tetraederstruktur). Når karbonatomene er bundet samen på denne måten, blir strukturen utrolig solid, og diamant er et av de aller hardeste mineralene som finnes. Derfor er ikke diamant bare en ettertraktet smykkestein, men brukes også i verktøy som skal kutte, slipe eller bore i svært harde materialer. Det er underlig å tenke på at den bløte, grå grafitten og den knallharde, gjennomsiktige diamanten er bygget opp av det samme grunnstoffet, men det er altså måten karbonatomene sitter sammen på som gjør hele forskjellen.

I tillegg til diamant og grafitt, finnes det også andre karbonstrukturer. Noen av dem ser ut som små, tynne tråder, noen få mikrometer lange. Disse trådene kan veves sammen til det som kalles karbonfiber. Hvis man blander karbonfiber med plast eller metall, fungerer karbonfibrene som forsterkning. Slik får man et materiale som er sterkt og tåler mye, men samtidig er lett. Karbonfibermaterialer brukes blant annet i klær, sykkelrammer, skistaver og fiskestenger.

I kroppen

Karbonatomet er det sentrale grunnstoffet i organisk og biologisk kjemi. Det finnes mer enn 10 millioner kjente organiske forbindelser. Kroppens byggesteiner er karbonholdige forbindelser av ulike slag. De viktigste stoffgruppene er karbohydrater (sukkere), proteiner, nukleinsyrer (DNA og RNA) og fettstoffer (lipider). Kroppen vår består av 18 prosent karbon. Det høres kanskje ikke så mye ut, men husk at 70 % av kroppen er vann. Karbon utgjør altså en stor del av den gjenværende massen.

I miljøet

Karbonkretsløpet

Karbon inngår i mange kjemiske forbindelser på jorden, og i miljøet går karbon stadig over fra en forbindelse til en annen. I atmosfæren finner du karbon som en del av karbondioksid (CO2). Når plantene driver fotosyntese, bruker de karbondioksid fra luften til å lage glukose (druesukker). Glukosen bruker plantene både som energi og til å lage andre stoffer som den bygger opp planten med. Disse stoffene er energikilden til dyr og mikroorganismer som spiser planter, og indirekte også energikilden til dyr som spiser andre dyr. Stoffene omdannes til stoffer organismene trenger for å bygge opp sin egen kropp, og til stoffer som forbrennes i cellene for å få energi. Under forbrenningen dannes det karbondioksid, som slippes ut i atmosfæren igjen.

Karbon beveger seg også rundt i miljøet utenfor planter og dyr. Karbondioksid vaskes ut av atmosfæren gjennom nedbør og en del absorberes av havene. I hav og sjøer vil CO2 kunne felles ut som karbonatsalter, f.eks. kalsiumkarbonat (CaCO3) som finnes i kritt, kalkstein og marmor. Ved oppvarming eller endringer i pH vil CO2 slippe ut av havene og over i atmosfæren igjen.

 

Karboninnholdet i de ulike formene (atmosfære, biosfære, hav og jordskorpe) har variert gjennom jordas historie. I moderne tid har CO2-mengden i atmosfæren steget betraktelig, blant annet som følge av menneskeskapte utslipp ved forbrenning av fossilt brensel som olje, kull og gass. Rundt 1750 var konsentrasjonen i atmosfæren 0,277 ‰, i 1960 var den 0,313 ‰, og i 2017 hadde den steget til 0,405 ‰ . I årene fremover forventes mengden karbondioksid i atmosfære å stige med 0,0025 ‰ i året. Ved å undersøke boreprøver fra Grønlands innlandsis og Sydpolen har man funnet at CO2-mengden i atmosfæren ikke har vært så høy som nå på 200.000 år. Dette bekymrer mange, og FNs klimapanel konkluderte i 2007 med at hovedårsaken til den observerte temperaturøkningen på jorda i løpet av de siste 50 til 60 årene er menneskelige utslipp. Dette har blitt bekreftet av senere undersøkelser. Virkningen oppstår som en følge av den såkalte drivhuseffekten.

Navn

Navnet karbon stammer fra det latinske ordet carboneum som er avledet fra ordet for trekull. Tidligere (før ca. 1950) ble karbon betegnet som kullstoff på norsk.

Historie

Karbon i form av grafitt (trekull, sot) har vært kjent siden steinalderen, mens diamant er beskrevet i gamle hinduistiske skrifter. Det var den franske kjemikeren Antoine Lavoisier som først karakteriserte karbon som grunnstoff i 1787, og det kjemiske symbolet C var det Jöns Jacob Berzelius som innførte i 1814.Lavoisier var en banebryter for moderne kjemi, og hans viktigste bidrag er knyttet til forbrenning. Han tok i bruk nøyaktige instrumenter til måling av volum og masse, og viste at selv om materien forandrer seg i løpet av en kjemisk reaksjon, så vil den samlete mengden av stoff forbli den samme. Dette var en radikal tanke ved slutten av det 18. århundre. Lavoisier foreslo at forbrenning er kjemiske reaksjoner mellom ulike stoffer og oksygen.

Allerede ved midten av det 18. århundre hadde Joseph Black vist at kalsiumkarbonat (kalkstein, ulesket kalk, CaCO3) avgir en gass (karbondioksid, CO2) ved kraftig oppvarming. I reaksjonen dannes det også brent kalk (CaO):

CaCO3 --> CaO + CO2

Den samme gassen dannes ved å behandle kalkstein med sterk syre, f.eks. svovelsyre, H2SO4:

H2SO4 + CaCO3 --> CaSO4 + H2O + CO2

Gassen (karbondioksid, CO2) kan igjen felles til fast stoff med kalsiumhydroksid (lesket kalk):

Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O

Denne reaksjonen beskriver forøvrig det kjemiske prinsippet for herding av sement og betong. Black viste at gassen som dannes ved utånding fra dyr og mikrober reagerer på nøyaktig samme vis, og sluttet seg derfor til at den er den samme.

Fremstilling

Diamant, det hardeste naturlig forekommende stoff, utvinnes i det sørlige Afrika, men det er betydelig produksjon også i Kanada, Russland, Brasil og Australia. Den største diamant noensinne, Cullinan, ble funnet i Sørafrika i 1905 og var på hele 3.106 karat (1 karat = 0,2 g). Den ble spaltet i 105 edelsteiner, hvorav ni inngår i de britiske kronjuvelene.

Diamant fra Sør-Afrika. Foto: Rune Selbekk, Naturhistorisk museum, UiO.

Ved å presse grafitt sammen under høyt trykk (6 GPa) og temperatur (1500 oC) er det mulig å framstille diamantpulver industrielt. Denne formen for diamant har kommersiell betydning i samband med framstilling av industrielt utstyr for saging, sliping og boring.

Forekomst

Karbon dannes i stjerner ved fusjon av lettere grunnstoffer, og finnes overalt i universet. Omlag 4,6 ‰ av den samlete grunnstoffmassen i universet er karbon, og karbon er dermed det fjerde hyppigst forekommende grunnstoffet. I jordskorpa er andelen karbon  ca. 200 ppm. I jordas atmosfære er andelen karbondioksid 405 ppm, og stiger med rundt 2,5 ppm i året.

Kjemien

Kjemiske bindinger og allotrope former

Studenter i C60. Fra lanseringsutstillingen for periodesystemet.no. Foto: Ole Bjørn Karlsen, Fi, UiO.

Kjemiske bindinger

Karbonatomet kan danne bindinger til fire atomer. Dette kan skje på flere måter. I diamant og metan er vinkelen mellom de fire enkeltbingene knyttet til ett karbon maksimalt stor, nærmere 109 grader. I eten danner karbon tre bindinger, der den ene er en dobbeltbinding. Da blir de fire atomene som er med i bindingen, liggende i samme plan, og bindingsvinklene er tilsammen 360 grader, hver på omlag 120 grader. I etyn (acetylen) er karbonatomene bundet sammen med en trippelbinding, og bindingen til hydrogene er en enkeltbinding. Alle atomene ligger på en rett linje.

 

Karbon finnes i flere ulike former

Fram til 1989 kjente man bare to stabile former av rent karbon, nemlig diamant og grafitt. I diamant er karbonatomene bundet sammen i et solid, tredimensjonalt nettverk, mens karbonatomene i grafitt ligger er bundet sammen i sekskantede strukturer i flate lag, med bare svake bindinger mellom lagene.  

I 1989 oppdaget man at det også fantes et karbonmolekyl med 60 karbonatomer. Karbonatomene i dette molekylet er bundet sammen slik at utseendet blir som en fotball. Strukturen fikk navnet buckminsterfulleren. Senere oppdaget man enda en kulestruktur, denne med 70 karbonatomer i strukturen. 

Etter dette har man oppdaget at karbonatomer også kan lage andre strukturer. De kan for eksemel danne rørformede strukturer, såkalte nanorør av karbon, og man har lykkes i å lage enkeltlag av grafitt. Et slik enkeltlag kalles grafen.

Karbon-14-datering

I tillegg til de to stabile isotopene 12C og 13C, har karbon en radioaktiv isotop, 14C. Denne isotopen dannes i de øvre lagene av atmosfæren, og utgjør en nokså konstant andel av karbonet bundet som CO2 i atmosfæren. Når CO2 omdannes til organisk stoff, for eksempel cellulosen i et tre, vil dermed en bestemt andel av cellulosen bestå av 14C. I og med at 14C har en halveringstid på 5730 år, vil denne andelen minke med tida, og metoden med karbon-14-datering bygger på nøyaktig måling av denne andelen. Metoden har vist seg svært nyttig til alt fra aldersbestemmelse av historiske funn (f.eks. Osebergskipet) til avsløring av falsk vin.