Ti fakta om karbon, grunnlaget for livets kjemi

Karbon er et essensielt element for liv, siden det er hovedbestanddelen i alle organiske forbindelser. Det kan være i elementær form, danne karbon eller diamanter, og det kan danne uorganiske forbindelser, slik som karbondioksid (CO 2 ₎ , et grunnleggende molekyl i prosessene med å fange solenergi av planter og i prosessene med å frigjøre energi ved forbrenning. Aktivert karbon, karbonfibre, nanorør og grafen er noen av forbindelsene og materialene som har karbonatomet som en grunnleggende komponent.

Karbonatomet har 6 protoner i kjernen og 6 elektroner i omgivelsene, så atomnummeret er 6. Den vanligste isotopen i naturen er den som også har 6 nøytroner i kjernen, 12C, og siden 1961 er denne isotopen brukt å måle atommassen til alle grunnstoffene, ta som en enhet den tolvte delen av massen på ¹² C. 98,89 % av karbonatomene i naturen er ¹² C, men det er også isotopen som har et nøytron mer i kjernen , ¹³ C, som kompletterer den naturlige sammensetningen med 1,1 %. En annen viktig isotop av karbon er ^14C , en radioaktiv isotop som forfaller med en halveringstid på 5730 år. den ¹⁴C produseres i atmosfæren som en konsekvens av samspillet mellom nitrogen og kosmiske stråler, og fra produksjonen er det integrert i organiske prosesser og produkter, og transformerer det dermed til en naturlig klokke som tillater datering av stoffer og materialer som inneholder karbon i en rekkevidde som går mellom 1000 og 50000 år.

Her er ti fakta om karbon.

• Karbon er et ikke-metallisk grunnstoff som kan forenes med seg selv og danne et enormt utvalg av kjemiske forbindelser, et estimert antall på mer enn ti millioner.

• Som alle grunnstoffer ble karbon produsert i stjerner gjennom kjernefusjonsreaksjoner. I de tidlige stadiene av deres utvikling produserer stjerner energi ved fusjonsreaksjoner av hydrogenatomer som produserer helium, slik tilfellet er med Solen. Når mesteparten av hydrogenet er omdannet til helium, kan ikke energien som produseres i reaksjonen balansere gravitasjonen kraft og stjernen komprimerer i kjernen, mens dens ytre sektor utvides. Når prosessen avsluttes, når temperaturen i kjernen temperaturer i størrelsesorden 100 millioner Kelvin og en reaksjon kalt trippel alfa finner sted, hvor tre heliumkjerner genererer et karbonatom. Påfølgende prosesser kan generere andre elementer eller spre de produserte elementene,

• Karbon er det fjerde mest tallrike grunnstoffet i universet, etter hydrogen, helium og oksygen, og det er det femtende mest tallrike grunnstoffet i jordskorpen.

• Elementært karbon kan ta form av et av de hardeste og dyreste materialene som finnes, diamant, eller danne en myk og billig, grafitt. Diamant og grafitt er to allotroper av karbon, men i diamant er atomene ordnet i en kubisk krystallstruktur som dannes under ekstreme trykk- og temperaturforhold, mens i grafitt danner de kovalente bindingene sekskantede krystallstrukturer arrangert i plan overlappende.

• I et vakuum eller i en oksygenfri atmosfære blir diamant til grafitt ved 1700 grader Celsius. I luft begynner transformasjonen rundt 700 grader Celsius. Smeltepunktet for grafitt er 3600 grader Celsius.

• Allotroper av karbon har en rekke bruksområder. Diamant er en edelstein som også har industrielle anvendelser på grunn av sin ekstreme hardhet. Grafitten brukes blandet med en pasta i blyanten på blyantene. Det brukes også som et fast smøremiddel og som et beskyttende element mot oksidasjon. Grafitt kan være en del av ildfaste murstein og digler. Ulike tekniske deler, som stempler, sylinderpakninger, skiver eller lagre, er produsert med grafitt. På grunn av sin gode elektriske ledningsevne og motstand mot kjemiske angrep, brukes den til å lage elektroder og i andre elektriske applikasjoner, som karbon og elektriske motorbørster. På grunn av dens nøytronmoderasjonskapasitet og dens lave nøytronabsorpsjon,

• Karbon er grunnelementet i organisk kjemi, også kalt karbonkjemi. Alle organiske molekyler inneholder karbon. De enkleste danner forskjellige bindinger med hverandre og kombinerer bare med hydrogenatomer, mens de mest komplekse inkluderer oksygen, nitrogen, fosfor eller svovelatomer, og når de høyeste nivåene av kompleksitet i RNA (ribonukleinsyre) molekyler og av DNA (deoksyribonukleinsyre). Det store antallet organiske forbindelser skyldes at karbonatomet har fire elektroner i valensskallet, så det trenger ytterligere fire for å danne en stabil tilstand etter oktettregelen. På denne måten har den fire bindinger tilgjengelig for å kombinere ved kovalente bindinger med andre elementer eller med andre atomer av samme art.

• Polymerer er en del av vårt daglige liv på mange forskjellige måter. Naturlige polymerer, det vil si biopolymerer, er i likhet med en stor del av kunstige polymerer karbonforbindelser. Biopolymerer er grunnleggende komponenter i livet. Lipider er biopolymerer, triglyserider hvis monomererDe er glyserol og fettsyrer. Og proteiner er polypeptider hvis monomerer er aminosyrer. Et annet eksempel er nukleinsyrer. DNA og RNA, hvis monomerer er nukleotider som igjen består av nitrogenholdige baser, ribose, som er et sukker (et monosakkarid kalt pentose), og en fosfatgruppe. Karbohydrater er også biopolymerer. Polysakkarider, som cellulose og stivelse, og disakkarider, som sukrose (det vanlige sukkeret) og laktose, er polymerer hvis monomerer er monosakkarider, enkle sukkerarter, og det vanligste monosakkaridet er glukose. Den mest utbredte biopolymeren er cellulose, som utgjør størstedelen av jordens biomasse, siden den er en bestanddel av celleveggen til de fleste planter. Den finnes i sin reneste form i bomull og er hovedkomponenten i papir og mange andre produkter som vi bruker daglig. Blant de kunstige polymerene er den som involverer den enkleste dannelsesprosessen polyetylen, en utbredt og brukt plast. Monomeren av polyetylen er etylen, et enkelt organisk molekyl som har to karbonatomer koblet med en dobbeltbinding sammen med to hydrogenatomer festet til hvert karbonatom. Hvis dobbeltbindingen brytes, har hvert av karbonatomene en kovalent binding tilgjengelig for å koble sammen andre atomer, og utgjør den strukturelle enheten som vil danne polymeren. Den gjentatte foreningen av denne strukturelle enheten genererer et langt lineært molekyl, uten forgreninger, som er polyetylen.

• Et av de sterkeste materialene som kan lages er karbonfiber. Også kalt grafittfiber, karbonfiber er en syntetisk fiber som består av veldig fine filamenter, 5 til 10 mikron i diameter, av en polymer hvis hovedelement er karbon. Ved å veve og bearbeide tusenvis av disse tynne filamentene får man en karbonfiber. Disse filamentene har høy strekkfasthet, så de er ekstremt sterke gitt deres tykkelse. Karbonnanorøret regnes som det sterkeste materialet som kan lages, og karbonfibre anses generelt å ha egenskaper som ligner på stål, de er mye lettere og med en tetthet som ligner på tre eller plast. Det er flere bruksområder for karbonfiber. I konstruksjonen,

• Karbonsyklusen er en sekvens av hendelser som er avgjørende for livet på jorden. Prosessene i karbonsyklusen er gruppert i prosesser i atmosfæren, de i den terrestriske biosfæren, prosesser i havet, i sedimenter, inkludert fossilt brensel og ferskvannssystemer, og prosesser i landet. I atmosfæren finnes karbon hovedsakelig i form av karbondioksid og metan. Karbondioksid ekstraheres fra atmosfæren til terrestriske og marine biosfærer gjennom fotosyntese, og det løses også opp i vannmasser for å danne karbonsyre. Karbon i den terrestriske biosfæren inkluderer organisk karbon fra alle levende og døde organismer, samt karbon lagret i jord. Mesteparten av karbonet i den terrestriske biosfæren er organisk, mens en tredjedel er i uorganiske former, som kalsiumkarbonat. Karbon unnslipper den terrestriske biosfæren gjennom forbrenning og respirasjon, selv om det også kan eksporteres til marine systemer gjennom elver, eller beholdes i jordsmonn som inert karbon. Marine systemer inneholder den største mengden karbon assosiert med deres biogeokjemiske syklus. Den viktigste måten karbon kommer inn i marine systemer på er ved å løse opp atmosfærisk karbondioksid, som deretter omdannes til organisk karbon gjennom fotosyntese utført av marine organismer. eller holdes tilbake i jord som inert karbon. Marine systemer inneholder den største mengden karbon assosiert med deres biogeokjemiske syklus. Den viktigste måten karbon kommer inn i marine systemer på er ved å løse opp atmosfærisk karbondioksid, som deretter omdannes til organisk karbon gjennom fotosyntese utført av marine organismer. eller holdes tilbake i jord som inert karbon. Marine systemer inneholder den største mengden karbon assosiert med deres biogeokjemiske syklus. Den viktigste måten karbon kommer inn i marine systemer på er ved å løse opp atmosfærisk karbondioksid, som deretter omdannes til organisk karbon gjennom fotosyntese utført av marine organismer.

Kilder

Anna Deming. Kongen av elementene? Nanoteknologi nr. 21, 2010.

JL Sarmiento, N. Gruber. Havets biogeokjemiske dynamikk. Princeton University Press, Princeton, New Jersey, USA, 2006.

Laura Gasque Silva. Karbon. Elementet med flere personligheter. Hvordan ser du det? Magazine, National Autonomous University of Mexico, 2019.

RJ Young, PA Lovell Introduksjon til polymerer. Tredje utgave. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.