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 fst 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 form mennesker på andre måter, blant annet som brensel, og plasten vi omgir oss med består også i stor grad av lange kjeder av karbonbaserte forbindelser.

Anvendelser

Grafitt. Foto: Rune Selbekk, Ki, UiO.

Grafitt består av karbonlag der karbonatomene er sterkt bundet til hverandre, mens det er kun svake bindinger mellom lagene. Disse lagene kan dermed gli over og fra hverandre og fester seg på papiret når du skriver. Karbon er også bestanddelen i aktivt kull. Karbon kan også framstilles i noen få mikrometer tynne tråder som så veves sammen. Ved å benytte dette stoffet som armering i plaststoffer får man et sterkt og mekanisk sterkt komposittmateriale (ofte kalt karbonfiber), som benyttes i en rekke produkter (klær, sykkelrammer, skistaver, fiskestenger m.m.) 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.

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 (sukre), proteiner (eggehvitestoffer), nukleinsyrer (DNA og RNA) og fettstoffer (lipider).

I miljøet

Karbonkretsløpet

Karbon foreligger i ulike former på jorda, og det foregår kontinuerlig transport mellom disse formene. I atmosfæren foreligger det meste karbon som karbondioksid. Gjennom plantenes fotosyntese kan karbondioksid omdannes til ulike organiske stoffer, hvorav sukkerarter (karbohydrater) er de primære. Disse organiske stoffene er energikilden til alle dyr, og dyra bryter stoffene ned igjen til karbondioksid som går tilbake til atmosfæren. Karbondioksid vaskes dessuten ut av atmosfæren gjennom nedbør og ved vekselvirkning med havene. I hav og sjøer vil CO2 kunne felles ut som karbonat, f.eks. CaCO3. Ved oppvarming eller endringer i pH vil CO2 slippe ut av havene og over i atmosfæren igjen. Slik sett utgjør den dynamiske balansen mellom karbon i ulike former, karbonkretsløpet, et komplisert system. 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, mest sannsynlig som følge av menneskeskapte utslipp ved forbrenning av fossilt brensel. I omlag 1800 var konsentrasjonen i atmosfæren 0,270 ‰, i 1960 var den 0,313 ‰, og i 2005 hadde den steget til 0,375 ‰ . Ved sammenlikning med boreprøver fra Grønlands innlandsis og Sørpolen 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 skyldes menneskelige utslipp. 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 reager på nøyaktig samme vis, og sluttet seg derfor til at den er den samme.

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 jordas atmosfære er andelen i underkant av 0,4 ‰, mens den i jordskorpa er ca. 200 ppm.

Kjemien

Kjemiske bindinger og allotrope former

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

Kjemiske bindinger

Karbonatomet er tetravalent, dvs. det 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 (tidliger kalt etylen) danner karbon tre bindinger, hvorav den ene er en dobbeltbinding, og de fire atomene som er involvert ligger alle 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.

Allotrope former

Fram til 1989 kjente man kun to stabile former av rent karbon, nemlig dimant og grafitt. Bindingsforholdene i de to stoffene er svært ulike. I diamant er atomene bundet sammen i et svært solid tredimensjonalt nettverk der avstandene mellom karbontomene er 154 pm. Hvert atom er bundet til fire andre. Grafitt består av lag på lag med atomer. I ett lag er avstanden mellom karbonatomene 140 pm, mens hvert atom er bundet til tre naboer. Avstanden mellom to lag er 335 pm. Siden oppdagelsen av C60 i 1989 har det vist seg at karbon har langt flere former enn de opprinnelige grafitt og diamant. I tillegg til fullerenene C60 og C70 er det f.eks. mulig å framstille såkalte nanorør av karbon, og grafen (enkeltlag av grafitt).

Karbon-14-datering

I tillegg til de to stabile isotopene 12C og 13C, har karbon i en radioakativ isoptop, 14C. Denne isotopen dannes i de øvre lag av atmosfæren, og utgjør en nokså konstant andel av karbonet bundet som CO2 i atmosfæren foreligger derfor med denne isotopen. Når CO2 omdannes til organisk stoff, f.eks. 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.