carbon

Carbon, kulstof, grundstof nr. 6, placeret i det periodiske systems 14. gruppe; atomtegn C.

Carbon kendes i tre veldefinerede former: diamant, grafit og fullerener. De to første findes i naturen, de sidste kendes kun laboratoriefremstillede, fx buckminsterfulleren.

Isotoper

I naturen findes de stabile isotoper ¹²C (99%) og ¹³C (1%) samt vekslende små mængder af den radioaktive isotop ¹⁴C. Isotopen ¹²C benyttes som standard, idet man internationalt har fastsat enheden mol for stofmængde, n. En stofmængde på 1 mol indeholder lige så mange elementære dele, som der er atomer i 12 g af isotopen ¹²C. Isotopen ¹⁴C benyttes ved aldersbestemmelser; se kulstof 14-datering.

Målinger har vist, at carbonat i meteoritter af typen CI kulchondritter har et væsentligt højere ¹³C/¹²C-forhold, end det man finder i kulstofholdige bjergartsprøver fra Jorden. Dette må skyldes en isotopfraktionering under Solsystemets dannelse (dvs. en adskillelse af ¹³C og ¹²C, således at forholdet mellem isotoperne ændres). Hvis den øgede mængde ¹³C derimod skulle stamme fra ligevægtsreaktioner i den gassky, som Solsystemet blev dannet af, skulle reaktionerne være foregået ved temperaturer på under 300 °C, hvilket næppe er sandsynligt.

Geokemi og mineraler

Carbon udgør kun 0,02 vægtpct. af den kontinentale jordskorpe og 0,003 vægtpct. af havvandet. Alligevel spiller det en meget vigtig geokemisk, biokemisk og biologisk rolle. Det findes frit i naturen i mineralerne diamant og grafit, der begge består af rent carbon. Det er desuden hovedbestanddelen af et stort antal mineraler, først og fremmest carbonatmineraler som fx calcit, aragonit og malakit. Carbonat findes desuden i nogle fosfat- og silikatmineraler. Carbider som fx cohenit findes i meteoritter. Meteorittypen kulchondritter indeholder organisk-kemiske carbonforbindelser og har op til 5 vægtpct. carbon.

Selvom der kendes et meget stort antal organisk-kemiske forbindelser, findes disse kun sjældent som mineraler i naturen, eksempler er rav og oxalatet whewellit.

Bjergarterne i Jordens kappe indeholder carbon, hvilket bl.a. ses af forekomsten af diamanter i magmabjergarter, der stammer fra dybder mere end 120 km nede i kappen, og af gasindeslutninger med carbondioxid under stort tryk i fx mineralet olivin i basaltiske magmabjergarter.

Gennem jordklodens historie er carbon, hovedsagelig i form af carbondioxid, bragt ud i atmosfæren af vulkanudbrud og er derfra indgået i kulstofkredsløbet. Det meste af carbondioxiden opløses i havvandet i form af bicarbonat- og carbonationer. I havet udfældes carbonationerne af kemiske og biologiske processer under dannelse af sedimentære carbonatbjergarter dels som kalk og kridt i varme, lavvandede havområder, dels som fx foraminifer-slam på oceanbunden. Carbonatbjergarter udgør det største reservoir af carbon ved Jordens overflade.

En anden del af atmosfærens carbondioxid omsættes i fotosyntesen til plantemateriale og danner dermed grundlag for liv. Når organismer respirerer eller dør, frigøres carbondioxid, der igen indgår i kredsløbet. Men en mindre del af organismeresterne indlejres i sedimenter og kan under de rette betingelser blive omdannet til kul og kerogen; sidstnævnte kan omdannes til olie og naturgas.

De to stabile carbonisotoper, ¹³C og ¹²C, fraktioneres af biologiske og geokemiske processer, således at fx ¹²C koncentreres i det plantemateriale, som dannes af fotosyntesen, mens ¹³C koncentreres i carbon i sedimentære carbonatbjergarter. En bestemmelse af forholdet mellem de to isotoper kan derfor anvendes til at spore oprindelsen af en bjergarts indhold af carbon.

Carbonisotopen ¹⁴C dannes i den øvre atmosfære, når kosmiske partikler rammer atomer af nitrogenisotopen ¹⁴N.

Forbindelser

Carbons forbindelser er så talrige, at deres kemi normalt behandles under betegnelsen organisk kemi, men nogle få stoffer behandles traditionelt under uorganisk kemi; det gælder især de forbindelser, der har ét carbonatom pr. formelenhed, samt forbindelser, der dannes ved højtemperaturreaktioner mellem carbon og metaller.

Oxygenforbindelser. Luftarterne carbondioxid (kuldioxid, kultveilte), CO₂, og carbonmonoxid (kulmonoxid, kulilte, kulos), CO, dannes samtidigt ud fra carbon ved hhv. fuldstændig forbrænding og ufuldstændig forbrænding (underskud af oxygen). Ved høj temperatur reagerer carbon med vand og danner CO og CO₂ samt hydrogen, H₂. Blandingen af carbonmonoxid og hydrogen giver ved forbrænding carbondioxid og vand og anvendes som varmekilde ved synteser ved meget høje temperaturer (1000-3000 °C). Blandingen kan også danne methanol, CH₃OH, når den ledes over en katalysator, fx zinkoxid. Carbondioxid er en normal bestanddel af Jordens atmosfære (0,03%) og ikke egentlig giftigt. Carbonmonoxid er derimod giftigt, da det fortrænger oxygen fra blodets hæmoglobin. Et indhold i luften på 0,3% virker dræbende på mennesker i løbet af 15 minutter.

Carbonater. Carbondioxid er opløseligt i vand, hvorved det danner kulsyre (carbonsyre): CO₂ + H₂O → H₂CO₃. Kulsyre kan danne to typer af salte: hydrogencarbonater (bicarbonater, tvekulsure salte) indeholdende ionen HCO₃^—, fx natriumhydrogencarbonat, NaHCO₃, og carbonater (kulsure salte) indeholdende ionen CO₃^2—, fx calciumcarbonat, CaCO₃. Store carbonatforekomster findes i og ved alkaliske søer bl.a. i Nordamerika og i Afrika, hvor der findes store aflejringer af mineralet trona. Dette udnyttes i stigende grad til fremstilling af soda, natriumcarbonat, Na₂CO₃∙10H₂O, der også fremstilles industrielt ved Solvay-metoden, se soda.

Halogenforbindelser. Carbon danner forbindelser med halogenerne fluor, F, klor, Cl, brom, Br og jod, I. Der findes dels forbindelser af typen CX₄, hvor X er et af halogenerne, fx tetraklormethan, CCl₄, der anvendes som opløsningsmiddel, dels blandede forbindelser som fx CF₂Cl₂, der under handelsnavnet freon (her freon-12) har haft udbredt anvendelse, bl.a. til forstøvning af væsker (fx i spraydåser). Da freon formodes at virke nedbrydende på ozonlaget, er brugen af freon nu forbudt i mange lande, heriblandt Danmark. Et polymert produkt af carbon og fluor med sammensætningen CF₂ (Teflon®) har fundet en del praktiske anvendelser (fx til belægning på stegepander), da det er meget stabilt over for mange kemiske påvirkninger.

Svovl- og nitrogenforbindelser. Carbon reagerer med svovl til carbondisulfid (svovlkulstof), CS₂, der bl.a. anvendes som opløsningsmiddel i celluloseindustrien. I analogi med, at CO₂ danner carbonater, danner CS₂ thiocarbonater, fx bariumthiocarbonat, BaCS₃. Nitrogen bindes til carbon i forbindelser som fx kaliumcyanid, KCN, og natriumcyanid, NaCN. Det er giftige, saltagtige forbindelser, der med syre giver den giftige luftart hydrogencyanid (cyanbrinte), HCN; se også cyanforbindelser. Nitrogen og svovl er begge bundet til carbon i fx KNCS, kaliumthiocyanat.

Carbider. Carbon danner med mange metaller ved temperaturer over 2000 °C forbindelser, der kaldes carbider. Nogle af dem reagerer med vand eller fortyndede syrer og danner carbonhydrider. Eksempler herpå er berylliumcarbid, Be₂C, og aluminiumcarbid, Al₄C₃, der begge med vand danner methan, CH₄, samt calciumcarbid, CaC₂, der udvikler acetylen, C₂H₂. Syrebestandige carbider er bl.a. siliciumcarbid, SiC, karborundum, et vigtigt slibemiddel, cementit, Fe₃C, en vigtig komponent i stålfremstilling, og carbider af titan, zirconium, niobium og tantal, der har smeltepunkter mellem 3000 og 4000 °C.

Historie

Carbons opdagelseshistorie er lige så lang som kemiens historie. Opdagelsen af sod, der er forholdsvis rent , må være så gammel som opdagelsen af ilden, og sod blev i oldtiden benyttet som sort farvestof. Trækul blev benyttet ved fremstilling af metaller; også i form af diamanter kendes fra oldtiden.

Egenskaber

Nummer	6
Atomtegn	C
Navn	carbon
Relativ atommasse	12,011
Densitet	diamant 3,51 g/cm3; grafit 2,27 g/cm3 (20 °C)
Smeltepunkt	ca. 3550 °C
Kogepunkt	ca. 4830 °C
Opdagelse	kendt siden oldtiden

I 1664 opdagede R. Boyle, at diamanter kan brænde, og i løbet af 1700-t. fandt kemikere ud af, at det er den samme gas, der dannes ved forbrænding af diamant som af trækul. Omkring år 1800 blev man også klar over grafits natur. Helt op til denne tid kaldtes grafit for "blyant" og forveksledes ofte med molybdænsulfid, MoS₂. Opdagelsen af fullerenerne skete omkring 1990.

Der har hersket megen uenighed om benævnelsen af grundstoffet , især hvad angår navnene og kul. Uenigheden afspejles i en række ældre navne, som stadig er i brug: Kulos, kulgas og kulilte bruges som navne for carbonmonoxid; kulsyre er et ældre navn, som stadig benyttes for såvel carbondioxid som for carbonsyre; kulsur natron er natriumcarbonat, og tvekulsur natron er natriumhydrogencarbonat, mens kulbrinter er det samme som carbonhydrider (hydrocarboner).

Læs mere om carbon i underemnerne herunder.