• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

carbon

Oprindelige forfattere Bos, CEmm, HeSø, KLRa og SERa Seneste forfatter Redaktionen

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.

Egenskaber
Nummer6
AtomtegnC
Navncarbon
Relativ atommasse12,011
Densitetdiamant 3,51 g/cm3; grafit 2,27 g/cm3 (20 °C)
Smeltepunktca. 3550 °C
Kogepunktca. 4830 °C
Opdagelsekendt siden oldtiden

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.

Annonce

Ordet carbon er en afledn. af latin carbo, genitiv carbonis 'kul', dvs. opr. 'trækul'.

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 CO32—, 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.

Biokemi og biologi

Som jordboere uden konkret kendskab til liv andre steder i Universet kender vi kun kulstofbaseret liv. Carbon hører (ligesom brint, nitrogen, ilt, fosfor og svovl) til de grundstoffer, vi antager er essentielle for udfoldelse af enhver form for biologisk liv. Disse grundstoffer (C, H, N, O, P, S) er udgangspunkt i store dele af den eksisterende kemi. Man kender til tusinder af carbonforbindelser, som er så forskelligartede, komplicerede og vigtige, at studiet af dem er en særlig gren af kemien. Den blev i 1800-t. benævnt organisk kemi, fordi man mente, at alle den slags forbindelser måtte stamme fra levende organismer og kun kunne dannes i livsprocesserne. I starten af 1840'erne, da J. von Liebig og andre kemikere i laboratoriet syntetiserede carbonforbindelser, som var analoge med de forbindelser, man fandt i organismer, indså man, at "organisk kemi" ikke var "livets kemi", men "carbonforbindelsernes kemi", og at ingen skjulte, vitale principper adskilte organisk fra uorganisk kemi. Således gælder der grundlæggende de samme lovmæssigheder for kunstige og naturlige carbonforbindelser på molekylært niveau. Alligevel kan de i forbindelse med levende celler opføre sig forskelligt. Eksempelvis vil nogle af de kunstigt fremstillede carbonforbindelser, man kender i dag, fx plaststoffer som PVC, ikke eller kun meget langsomt kunne nedbrydes af mikroorganismer i økosystemet.

De carbonforbindelser, der naturligt (ved biosyntese) opbygges i levende organismers celler, studeres i biokemien, som også undersøger nedbrydningen af forbindelserne, der sker enten ved spontane processer i cellerne, ved forbrænding (respiration) eller i kraft af de mikroorganismer, der spiller en særlig rolle i de økologiske kredsløb ved at frigive kuldioxid og andre mindre carbonforbindelser. Discipliner som geokemi, fysiologi, biokemi og økologi bidrager til forståelsen af carbonomsætningen på Jorden, både i levende organismer og i deres fysisk-kemiske omgivelser.

To processer i levende organismer, autotrofi og respiration, er afgørende for hhv. opbygning og nedbrydning af carbonforbindelser. De autotrofe organismer kan enten som grønne planter være fotoautotrofe og udnytte solens energi eller som visse bakterier være kemoautotrofe og udnytte kemisk energi fra uorganiske forbindelser. I begge tilfælde bruges energi til biosyntesen af carbonforbindelser. Ved respiration ("ånding") udnyttes den kemiske energi, som er bundet i carbonforbindelser, til cellernes vigtigste livsfunktioner. Groft sagt er fotosyntese og respiration hinandens omvendte. Fotosyntese:
6 CO2 + 6 H2O + lysenergi → C6H12O6 + 6 O2
Respiration:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + kemisk energi
Sukkerstoffet C6H12O6 er grundlaget for videre syntese af mere komplekse carbonforbindelser.

De biokemisk vigtige carbonforbindelser i vores krop omfatter især fire store familier af makromolekyler, der bl.a. fungerer som byggesten og energitransportører i de levende celler: proteiner (inkl. enzymer), nukleinsyrer (bl.a. DNA), kulhydrater og lipider. Carbonatomet, som danner fire covalente bindinger, spiller den centrale rolle som rygrad i disse molekyler pga. dets særlige evne til at danne lange, fleksible kæder. For hvert led i kæden bruger carbonatomet to af sine fire covalente bindinger til forbindelsen til de to naboatomer; de to andre er frie til at binde enten ilt, brint eller andre atomer eller til at lave sidekæder af carbonforbindelser. Variationsmulighederne er (næsten) uendelige. Der kan også forekomme dobbeltbindinger (som fx i umættede fedtsyrer) mellem to C-atomer, hvilket giver carbonrygraden i molekylet større stivhed. Carbon udgør (i atom-pct.) 11 % af den menneskelige organisme, mens ilt udgør 25 % og brint 60 %. I Universet er forekomsten af disse grundstoffer 0,9 % for carbon, 0,06 % for ilt og 91 % for brint.

I den vandige, gel-agtige opløsning (cytoplasma) inde i cellerne foregår de biokemiske omsætninger af carbonforbindelser ofte som cyklusser af mange trin, der hver involverer reaktioner mellem specifikke molekyler. De er specifikke, idet deres atomer er sammenknyttet på ganske bestemte måder (beskrevet ved deres strukturformel). Deres tredimensionale struktur er forholdsvis stabil, veldefineret og bestemmende for makromolekylernes evne til indbyrdes at "genkende" hinanden, hvilket er afgørende for disse cyklussers præcise forløb. Genkendelsesproceduren mellem to molekyler sammenlignes ofte med en nøgle, som skal finde en lås, der passer. Fx består et enzym af en lang kæde af aminosyrer, der er foldet op på en ganske bestemt måde, som fastlægger enzymets overordnede form. Formen har betydning for enzymets funktion: Det enkelte carbonatom spiller ikke nogen isoleret rolle i forbindelse med et enzyms genkendelse af sit substrat (fx et andet protein eller et kulhydrat); det er selve måden, som enzymmolekylet er foldet op på, der bestemmer dets stabile form.

Kan liv tænkes realiseret uden brug af carbon? Silicium (Si) er det grundstof, som kemisk ligner carbon mest. Det kunne måske have carbons rolle og være basis for andre livsformer. Men silicium danner ikke dobbeltbindinger. Skønt silicium-ilt bindinger blot er lidt mere stabile end carbon-ilt bindinger, danner de som regel silikater, hvor samme enhed gentages igen og igen, snarere end komplekse molekyler med sidekæder og en aperiodisk struktur med potentiel rolle som opbevarer af information. DNA-molekylet udfylder en sådan rolle og er det organiske makromolekyle, som direkte eller indirekte rummer opskriften på de mange tusinde forskellige carbonforbindelser, enhver levende celle danner. Se kulstofkredsløb.

Historie

Carbons opdagelseshistorie er lige så lang som kemiens historie. Opdagelsen af sod, der er forholdsvis rent carbon, 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 carbon i form af diamanter kendes fra 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 carbon, især hvad angår navnene carbon 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).

Referér til denne tekst ved at skrive:
Ole Bostrup, Claus Emmeche, Henning Sørensen, Kaare Lund Rasmussen, Svend Erik Rasmussen: carbon i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 24. marts 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=54346