Karbon

Karbon, ₆C ⓘ
	Grafit (solda) ve elmas (sağda), karbonun iki allotropu
Karbon
Allotroplar	grafit, elmas ve daha fazlası (bkz. karbon allotropları)
Görünüş	grafit: siyah, metalik görünümlü; elmas: açık;
Standart atom ağırlığı Ar°(C)	[12.0096, 12.0116]; 12.011±0.002 (kısaltılmış);
Periyodik tabloda karbon
	bor ← karbon → azot
Atom numarası (Z)	6
Grup	grup 14 (karbon grubu)
Dönem	dönem 2
Blok	p-blok
Elektron konfigürasyonu	[[[Helyum\|He]]] 2s2 2p2
Kabuk başına elektron	2, 4
Fiziksel özellikler
STP'de Faz	katı
Süblimasyon noktası	3915 K (3642 °C, 6588 °F)
Yoğunluk (r.t.'ye yakın)	amorf: 1,8-2,1 g/cm3 ; grafit: 2,267 g/cm3 ; elmas: 3,515 g/cm3
Üçlü nokta	4600 K, 10.800 kPa
Füzyon ısısı	grafit: 117 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	grafit: 8,517 J/(mol-K) ; elmas: 6,155 J/(mol-K)
Atomik özellikler
Oksidasyon durumları	-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 (hafif asidik bir oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 2.55
İyonlaşma enerjileri	1: 1086,5 kJ/mol ; 2.: 2352,6 kJ/mol ; 3.: 4620,5 kJ/mol ; (daha fazla) ;
Kovalent yarıçap	sp3: 77 pm; sp2: 73 pm; sp: 69 pm
Van der Waals yarıçapı	170 pm
	Karbonun spektral çizgileri
Diğer özellikler
Doğal oluşum	ilkel
Kristal yapı	grafit: basit altıgen ; (siyah)
Kristal yapı	Elmas: yüz merkezli elmas-kübik ; (açık)
Ses hızı ince çubuk	elmas: 18.350 m/s (20 °C'de)
Termal genleşme	elmas: 0,8 µm/(m⋅K) (25 °C'de)
Termal iletkenlik	grafit: 119-165 W/(m⋅K) ; elmas: 900-2300 W/(m⋅K)
Elektriksel direnç	grafit: 7,837 µΩ⋅m
Manyetik sıralama	diamanyetik
Molar manyetik duyarlılık	elmas: -5,9×10-6 cm3/mol
Young modülü	elmas: 1050 GPa
Kayma modülü	elmas: 478 GPa
Yığın modülü	elmas: 442 GPa
Poisson oranı	elmas: 0.1
Mohs sertliği	grafit: 1-2 ; Elmas: 10
CAS Numarası	atomik karbon: 7440-44-0; grafit: 7782-42-5; elmas: 7782-40-3;
Tarih
Keşif	Mısırlılar ve Sümerler (MÖ 3750)
Tarafından bir unsur olarak tanınır	Antoine Lavoisier (1789)
Karbonun ana izotopları
	Kategori Karbon; görünüm; konuşmak; Düzenle; \| referanslar

Karbon (Latince: carbo "kömür"), C sembolüne ve atom numarası 6'ya sahip kimyasal bir elementtir. Metalik değildir ve dört elektronu kovalent kimyasal bağlar oluşturmak için kullanılabilir hale getiren tetravalenttir. Periyodik tablonun 14. grubuna aittir. Karbon, yerkabuğunun yalnızca yaklaşık yüzde 0,025'ini oluşturur. Üç izotopu doğal olarak oluşur; ¹²C ve ¹³C kararlıdır, ¹⁴C ise yaklaşık 5.730 yıllık bir yarı ömürle bozunan bir radyonükliddir. Karbon, antik çağlardan beri bilinen birkaç elementten biridir. ⓘ

Karbon, yerkabuğunda en bol bulunan 15. elementtir ve evrende hidrojen, helyum ve oksijenden sonra kütlece en bol bulunan dördüncü elementtir. Karbonun bolluğu, benzersiz organik bileşik çeşitliliği ve Dünya'da yaygın olarak karşılaşılan sıcaklıklarda polimer oluşturma konusundaki olağandışı yeteneği, bu elementin bilinen tüm yaşamın ortak bir unsuru olarak hizmet etmesini sağlar. İnsan vücudunda oksijenden sonra kütlece en bol bulunan ikinci elementtir (yaklaşık %18,5). ⓘ

Karbon atomları çeşitli şekillerde birbirine bağlanabilir ve bu da çeşitli karbon allotroplarının oluşmasına neden olur. İyi bilinen allotroplar arasında grafit, el mas, amorf karbon ve fullerenler bulunur. Karbonun fiziksel özellikleri allotropik forma göre büyük ölçüde değişir. Örneğin, grafit opak ve siyah iken elmas oldukça şeffaftır. Grafit kağıt üzerinde bir çizgi oluşturacak kadar yumuşaktır (dolayısıyla adı Yunanca "yazmak" anlamına gelen "γράφειν" fiilinden gelir), elmas ise bilinen en sert doğal olarak oluşan malzemedir. Grafit iyi bir elektrik iletkeniyken, elmasın elektrik iletkenliği düşüktür. Normal koşullar altında elmas, karbon nanotüpler ve grafen bilinen tüm malzemeler arasında en yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Tüm karbon allotropları normal koşullar altında katıdır ve grafit standart sıcaklık ve basınçta termodinamik olarak en kararlı formdur. Kimyasal olarak dirençlidirler ve oksijenle bile reaksiyona girmeleri için yüksek sıcaklık gerekir. ⓘ

İnorganik bileşiklerdeki karbonun en yaygın oksidasyon durumu +4 iken, +2 karbon monoksit ve geçiş metali karbonil komplekslerinde bulunur. İnorganik karbonun en büyük kaynakları kireçtaşları, dolomitler ve karbondioksittir, ancak önemli miktarlarda kömür, turba, petrol ve metan klatratların organik yataklarında bulunur. Karbon, bugüne kadar tanımlanan yaklaşık on milyon bileşikle, diğer tüm elementlerden daha fazla sayıda bileşik oluşturur ve yine de bu sayı, standart koşullar altında teorik olarak mümkün olan bileşiklerin sayısının sadece bir kısmıdır. Bu nedenle karbon genellikle "elementlerin kralı" olarak anılır. ⓘ

Karbon, bilinen elementlerin en çok yönlü olanıdır. Bileşiklerin %94'ü (4 milyondan çoğu) karbon içerir. Yaşamın dayandığı temel işlevleri yerine getirmek için yeterli çeşitlilikte ve karmaşıklıkta düzenlemeler oluşturarak başka elementlerle birleşme yeteneği, yalnızca karbonda vardır. Belirli karbon bileşikleri, canlılardaki maddenin yaklaşık %18'ini oluşturur (geri kalanı çoğunlukla sudur). Bu bileşikler, canlı hücrelerin planı olarak, hücre yapımında kullanılan yapıtaşları olarak işlev görürler. ⓘ

Yakıt işlevi gören başka karbon bileşikleri de, yeşil bitkilerde ışıl birleşimle sürekli olarak yenilenir. Organizma öldüğü zaman, çevreyle karbon alışverişi durur ve geriye kalan radyoaktif karbon-14 izotopu miktarı, biyolojik kökenli maddelerin yaşını belirlemekte kullanılabilir. ⓘ

Kalkınmış ülkelerin ekonomilerinin büyük bir bölümü, karbon içeren yakıtların, plastiklerin, kimyasal maddelerin, dokumaların ve ilaçların işlenmesine ve üretimine dayanır. Karbon temelli sentetik bileşiklerin üretilmesi ve kullanılması, birçok ülkede yaşama düzeyini derinlemesine etkilemiştir. ⓘ

Özellikleri

Karbonun teorik olarak öngörülen faz diyagramı, 1989'dan. Daha yeni çalışmalar, elmasın erime noktasının (sağ üstteki eğri) yaklaşık 9000 K'nin üzerine çıkmadığını göstermektedir. ⓘ

Karbonun allotropları arasında bilinen en yumuşak maddelerden biri olan grafit ve doğal olarak oluşan en sert madde olan elmas yer alır. Diğer karbon atomları da dahil olmak üzere diğer küçük atomlarla kolayca bağ kurar ve uygun çok değerli atomlarla çoklu kararlı kovalent bağlar oluşturabilir. Karbonun, tüm kimyasal bileşiklerin büyük bir çoğunluğu olan yaklaşık on milyon bileşik oluşturduğu bilinmektedir. Karbon ayrıca tüm elementler arasında en yüksek süblimleşme noktasına sahiptir. Atmosferik basınçta erime noktası yoktur, çünkü üçlü noktası 10,8 ± 0,2 megapaskal (106,6 ± 2,0 atm; 1.566 ± 29 psi) ve 4.600 ± 300 K (4.330 ± 300 °C; 7.820 ± 540 °F)'dir, bu nedenle yaklaşık 3.900 K (3.630 °C; 6.560 °F)'de süblimleşir. Grafit, termodinamik olarak daha kararlı olmasına rağmen standart koşullarda elmastan çok daha reaktiftir, çünkü delokalize pi sistemi saldırıya karşı çok daha savunmasızdır. Örneğin, grafit standart koşullarda sıcak konsantre nitrik asit ile mellitik aside, C₆(CO₂H)₆, oksitlenebilir, bu da grafitin altıgen birimlerini korurken daha büyük yapıyı parçalar. ⓘ

Karbon, yaklaşık 5800 K (5.530 °C veya 9.980 °F) sıcaklığa sahip bir karbon arkı içinde süblimleşir. Bu nedenle, allotropik formundan bağımsız olarak karbon, tungsten veya renyum gibi en yüksek erime noktalı metallerden daha yüksek sıcaklıklarda katı kalır. Termodinamik olarak oksidasyona eğilimli olmasına rağmen karbon, oda sıcaklığında daha zayıf indirgeyici maddeler olan demir ve bakır gibi elementlerden daha etkili bir şekilde oksidasyona direnir. ⓘ

Karbon, dört dış elektronu değerlik elektronları olan 1s²2s²2p² temel durum elektron konfigürasyonuna sahip altıncı elementtir. İlk dört iyonlaşma enerjisi olan 1086.5, 2352.6, 4620.5 ve 6222.7 kJ/mol, daha ağır grup-14 elementlerinkinden çok daha yüksektir. Karbonun elektronegatifliği 2.5'tir, bu değer daha ağır grup-14 elementlerinden (1.8-1.9) önemli ölçüde yüksektir, ancak yakındaki ametallerin çoğuna ve bazı ikinci ve üçüncü sıra geçiş metallerine yakındır. Karbonun kovalent yarıçapı normalde 77.2 pm (C-C), 66.7 pm (C=C) ve 60.3 pm (C≡C) olarak alınır, ancak bunlar koordinasyon sayısına ve karbonun neye bağlı olduğuna bağlı olarak değişebilir. Genel olarak, kovalent yarıçap daha düşük koordinasyon sayısı ve daha yüksek bağ sırası ile azalır. ⓘ

Karbon bazlı bileşikler Dünya'da bilinen tüm yaşamın temelini oluşturur ve karbon-azot döngüsü Güneş ve diğer yıldızlar tarafından üretilen enerjinin bir kısmını sağlar. Olağanüstü çeşitlilikte bileşikler oluşturmasına rağmen, karbonun çoğu formu normal koşullar altında nispeten reaktif değildir. Standart sıcaklık ve basınçta, en güçlü oksitleyiciler hariç hepsine karşı direnç gösterir. Sülfürik asit, hidroklorik asit, klor veya herhangi bir alkaliyle reaksiyona girmez. Yüksek sıcaklıklarda karbon, karbon oksitleri oluşturmak için oksijenle reaksiyona girer ve elementel metali bırakmak için metal oksitlerden oksijeni çalar. Bu ekzotermik reaksiyon, demir ve çelik endüstrisinde demiri eritmek ve çeliğin karbon içeriğini kontrol etmek için kullanılır:

Fe
₃O
₄ + 4 C_(s) + 2 O
₂ → 3 Fe_(s) + 4 CO
₂_(g). ⓘ

Karbon, karbon disülfür oluşturmak için sülfür ile reaksiyona girer ve kömür gazlaştırmada kullanılan kömür-gaz reaksiyonunda buhar ile reaksiyona girer:

C_(s) + H₂O_(g) → CO_(g) + H_2(g). ⓘ

Karbon yüksek sıcaklıklarda bazı metallerle birleşerek metalik karbürler oluşturur, örneğin çelikteki demir karbür sementit ve tungsten karbür, yaygın olarak aşındırıcı olarak ve kesici aletler için sert uçlar yapmak için kullanılır. ⓘ

Karbon allotropları sistemi bir dizi uç noktayı kapsar:

Grafit bilinen en yumuşak malzemelerden biridir.	Sentetik nanokristal elmas ise bilinen en sert malzemedir. ⓘ
Grafit çok iyi bir yağlayıcıdır ve süper yağlama özelliği gösterir.	Elmas nihai aşındırıcıdır.
Grafit bir elektrik iletkenidir.	Elmas mükemmel bir elektrik yalıtkanıdır ve bilinen tüm malzemeler arasında en yüksek arıza elektrik alanına sahiptir.
Grafitin bazı formları ısı yalıtımı için kullanılır (örn. yangın kesiciler ve ısı kalkanları), ancak diğer bazı formları iyi ısı iletkenleridir.	Elmas, doğal olarak oluşan en iyi bilinen termal iletkendir
Grafit opaktır.	Elmas oldukça şeffaftır.
Grafit altıgen sistemde kristalleşir.	Elmas kübik sistemde kristalleşir.
Amorf karbon tamamen izotropiktir.	Karbon nanotüpler bilinen en anizotropik malzemeler arasındadır.

Allotroplar

Atomik karbon çok kısa ömürlü bir türdür ve bu nedenle karbon, allotrop adı verilen farklı moleküler konfigürasyonlara sahip çeşitli çok atomlu yapılarda stabilize edilir. Karbonun nispeten iyi bilinen üç allotropu amorf karbon, grafit ve elmastır. Bir zamanlar egzotik olarak kabul edilen fullerenler günümüzde yaygın olarak sentezlenmekte ve araştırmalarda kullanılmaktadır; bunlar arasında buckyballs, karbon nanotüpler, karbon nanobuds ve nanofiberler bulunmaktadır. Lonsdaleit, camsı karbon, karbon nanofoam ve lineer asetilenik karbon (karbyne) gibi başka egzotik allotroplar da keşfedilmiştir. ⓘ

Grafen, atomları altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş iki boyutlu bir karbon tabakasıdır. 2009 yılı itibariyle grafen şimdiye kadar test edilmiş en güçlü malzeme olarak görünmektedir. Grafitten ayrıştırma işlemi, endüstriyel süreçler için ekonomik hale gelmeden önce biraz daha teknolojik gelişme gerektirecektir. Başarılı olması halinde grafen bir uzay asansörünün yapımında kullanılabilir. Ayrıca arabalarda hidrojen bazlı bir motorda kullanılmak üzere hidrojeni güvenli bir şekilde depolamak için de kullanılabilir. ⓘ

Büyük bir camsı karbon örneği ⓘ

Amorf form, kristal bir makro yapıda tutulmayan, kristal olmayan, düzensiz, camsı bir durumdaki karbon atomlarının bir çeşitliliğidir. Toz halinde bulunur ve odun kömürü, lamba isi (kurum) ve aktif karbon gibi maddelerin ana bileşenidir. Normal basınçlarda karbon, tıpkı aromatik hidrokarbonlarda olduğu gibi, her atomun kaynaşmış altıgen halkalardan oluşan bir düzlemde üç diğerine trigonal olarak bağlandığı grafit şeklini alır. Ortaya çıkan ağ 2 boyutludur ve ortaya çıkan düz tabakalar istiflenir ve zayıf van der Waals kuvvetleri aracılığıyla gevşek bir şekilde bağlanır. Bu, grafite yumuşaklığını ve yarılma özelliklerini verir (tabakalar birbirlerinin yanından kolayca geçer). Her bir atomun dış elektronlarından birinin bir π-bulutu oluşturmak üzere delokalizasyonu nedeniyle grafit elektriği iletir, ancak sadece kovalent olarak bağlanmış her bir tabakanın düzleminde. Bu da karbonun elektrik iletkenliğinin çoğu metale göre daha düşük olmasına neden olur. Delokalizasyon aynı zamanda grafitin oda sıcaklığında elmasa göre enerjik kararlılığını da açıklar. ⓘ

Bazı karbon allotropları: a) elmas; b) grafit; c) lonsdaleit; d-f) fullerenler (C₆₀, C₅₄₀, C₇₀); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp ⓘ

Çok yüksek basınçlarda karbon, grafitin neredeyse iki katı yoğunluğa sahip daha kompakt bir allotrop olan elması oluşturur. Burada her bir atom diğer dördüne tetrahedral olarak bağlanır ve büzülmüş altı üyeli atom halkalarından oluşan 3 boyutlu bir ağ oluşturur. Elmas, silikon ve germanyum ile aynı kübik yapıya sahiptir ve karbon-karbon bağlarının gücü nedeniyle, çizilmeye karşı dirençle ölçülen doğal olarak oluşan en sert maddedir. "Elmaslar sonsuza dek kalıcıdır" şeklindeki yaygın inanışın aksine, normal koşullar altında (298 K, 10⁵ Pa) termodinamik olarak kararsızdır (ΔfG°(elmas, 298 K) = 2,9 kJ/mol) ve teorik olarak grafite dönüşmesi gerekir. Ancak yüksek aktivasyon enerjisi bariyeri nedeniyle, grafite geçiş normal sıcaklıkta o kadar yavaştır ki fark edilemez. Bununla birlikte, çok yüksek sıcaklıklarda elmas grafite dönüşür ve elmaslar bir ev yangınında yanabilir. Karbon için faz diyagramının sol alt köşesi deneysel olarak incelenmemiştir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi yöntemlerini kullanan bir hesaplama çalışması, T → 0 K ve p → 0 Pa olduğunda, elmasın grafitten yaklaşık 1,1 kJ/mol daha kararlı hale geldiği sonucuna ulaşmış olsa da, daha yeni ve kesin deneysel ve hesaplama çalışmaları, grafitin T < 400 K için, uygulanan basınç olmadan elmastan 2 daha kararlı olduğunu göstermektedir. Bazı koşullar altında karbon, tüm atomların kovalent olarak bağlandığı ve elmasınkine benzer özelliklere sahip altıgen bir kristal kafes olan lonsdaleit olarak kristalleşir. ⓘ

Fullerenler grafit benzeri bir yapıya sahip sentetik bir kristal oluşumudur, ancak sadece düz altıgen hücreler yerine, fullerenlerin oluşturulduğu hücrelerin bazıları beşgenler, düzlemsel olmayan altıgenler ve hatta karbon atomlarının yedigenleri olabilir. Böylece tabakalar küre, elips veya silindir şeklinde bükülür. Fullerenlerin (buckyballs, buckytubes ve nanobuds olarak ayrılır) özellikleri henüz tam olarak analiz edilmemiştir ve nanomalzemelerde yoğun bir araştırma alanını temsil etmektedir. Fulleren ve buckyball isimleri, fullerenlerin yapısına benzeyen jeodezik kubbelerin popülerleştiricisi Richard Buckminster Fuller'den sonra verilmiştir. Buckyball'lar tamamen trigonal olarak bağlanmış karbondan oluşan ve sferoidler oluşturan oldukça büyük moleküllerdir (en iyi bilinen ve en basit olanı futbol topu şeklindeki C₆₀ buckminsterfulleren'dir). Karbon nanotüpler (buckytubes) yapısal olarak buckyball'lara benzer, ancak her atom içi boş bir silindir oluşturan kavisli bir tabaka halinde trigonal olarak bağlanmıştır. Nanobudlar ilk olarak 2007 yılında rapor edilmiştir ve her ikisinin özelliklerini tek bir yapıda birleştiren hibrit buckytube/buckyball malzemeleridir (buckyball'lar bir nanotüpün dış duvarına kovalent olarak bağlanmıştır). ⓘ

C/2014 Q2 (Lovejoy) kuyruklu yıldızı parlayan karbon buharıyla çevrili ⓘ

Keşfedilen diğer allotroplardan karbon nanofoam 1997 yılında keşfedilen ferromanyetik bir allotroptur. Atomların altı ve yedi üyeli halkalar halinde trigonal olarak bağlandığı gevşek üç boyutlu bir ağda birbirine dizilmiş karbon atomlarının düşük yoğunluklu bir küme düzeneğinden oluşur. Yaklaşık 2 kg/m³ yoğunluğu ile bilinen en hafif katılar arasındadır. Benzer şekilde, camsı karbon yüksek oranda kapalı gözeneklilik içerir, ancak normal grafitin aksine, grafitik katmanlar bir kitaptaki sayfalar gibi istiflenmez, ancak daha rastgele bir düzenlemeye sahiptir. Doğrusal asetilenik karbon -(C:::C)n- kimyasal yapısına sahiptir. Bu modifikasyondaki karbon, sp orbital hibridizasyonu ile doğrusaldır ve alternatif tek ve üçlü bağlara sahip bir polimerdir. Young modülü bilinen en sert malzeme olan elmasın 40 katı olduğu için bu karbyne nanoteknoloji açısından oldukça ilgi çekicidir. ⓘ

2015 yılında Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi'nden bir ekip, amorf karbon tozu üzerinde yüksek enerjili düşük süreli lazer darbesiyle oluşturulan ve Q-karbon adını verdikleri başka bir allotropun geliştirildiğini duyurdu. Q-karbonun ferromanyetizma, floresans ve elmastan daha üstün bir sertlik sergilediği bildirildi. ⓘ

Buhar fazında, karbonun bir kısmı dikarbon (C
₂). Uyarıldığında bu gaz yeşil renkte parlar. ⓘ

Oluşum

Grafit cevheri, ölçek için bir kuruş ile gösterilmiştir ⓘ

Ham elmas kristali ⓘ

"Günümüz" (1990'lar) deniz yüzeyi çözünmüş inorganik karbon konsantrasyonu (GLODAP klimatolojisinden) ⓘ

Karbon, gözlemlenebilir evrende hidrojen, helyum ve oksijenden sonra kütlece en bol bulunan dördüncü kimyasal elementtir. Karbon Güneş'te, yıldızlarda, kuyruklu yıldızlarda ve çoğu gezegenin atmosferinde bol miktarda bulunur. Bazı meteoritler, Güneş Sistemi henüz bir protoplanetary disk iken oluşmuş mikroskobik elmaslar içerir. Mikroskobik elmaslar ayrıca meteorit çarpmalarının olduğu yerlerdeki yoğun basınç ve yüksek sıcaklık nedeniyle de oluşmuş olabilir. ⓘ

2014 yılında NASA, evrendeki polisiklik aromatik hidrokarbonları (PAH'lar) izlemek için büyük ölçüde geliştirilmiş bir veritabanı duyurdu. Evrendeki karbonun %20'sinden fazlası, oksijensiz karbon ve hidrojenin karmaşık bileşikleri olan PAH'larla ilişkili olabilir. Bu bileşikler, abiyogenezde ve yaşamın oluşumunda rol oynadıkları varsayılan PAH dünyası hipotezinde yer almaktadır. PAH'ların Büyük Patlama'dan "birkaç milyar yıl" sonra oluştuğu, evrenin her yerinde yaygın olduğu ve yeni yıldızlar ve dış gezegenlerle ilişkili olduğu görülmektedir. ⓘ

Katı dünyanın bir bütün olarak 730 ppm karbon içerdiği, çekirdekte 2000 ppm ve birleşik manto ve kabukta 120 ppm olduğu tahmin edilmektedir. Dünyanın kütlesi 5.972×10²⁴ kg olduğuna göre, bu 4360 milyon gigaton karbon anlamına gelmektedir. Bu, okyanuslardaki ya da atmosferdeki karbon miktarından çok daha fazladır (aşağıda). ⓘ

Karbondioksit içindeki oksijenle birlikte karbon, Dünya'nın atmosferinde (yaklaşık 900 gigaton karbon - her ppm 2.13 Gt'ye karşılık gelir) ve tüm su kütlelerinde çözünmüş halde (yaklaşık 36,000 gigaton karbon) bulunur. Biyosferdeki karbonun 550 gigaton olduğu tahmin edilmektedir, ancak büyük ölçüde karasal derin yeraltı bakteri miktarındaki büyük belirsizlik nedeniyle büyük bir belirsizlik söz konusudur. Hidrokarbonlar (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) da karbon içerir. Kömür "rezervleri" ("kaynakları" değil) 900 gigaton civarındadır ve belki de 18.000 Gt kaynak bulunmaktadır. Petrol rezervleri 150 gigaton civarındadır. Kanıtlanmış doğal gaz kaynakları yaklaşık 175×10¹² metreküptür (yaklaşık 105 gigaton karbon içerir), ancak araştırmalar kaya gazı gibi "konvansiyonel olmayan" yatakların 900×10¹² metreküp daha olduğunu ve bunun da yaklaşık 540 gigaton karbon içerdiğini tahmin etmektedir. ⓘ

Karbon ayrıca kutup bölgelerinde ve denizlerin altındaki metan hidratlarda da bulunur. Çeşitli tahminler bu karbonun 500, 2500 Gt ya da 3000 Gt arasında olduğunu göstermektedir. ⓘ

Geçmişte hidrokarbon miktarları daha fazlaydı. Bir kaynağa göre, 1751'den 2008'e kadar olan dönemde fosil yakıtların yakılmasıyla atmosfere karbondioksit olarak yaklaşık 347 gigaton karbon salınmıştır. Bir başka kaynağa göre ise 1750'den bu yana atmosfere eklenen miktar 879 Gt, atmosfere, denize ve karaya (turba bataklıkları gibi) giden toplam miktar ise neredeyse 2.000 Gt'dur. ⓘ

Karbon, çok büyük karbonat kaya kütlelerinin (kireçtaşı, dolomit, mermer vb.) bir bileşenidir (kütlece yaklaşık %12). Kömür karbon açısından çok zengindir (antrasit %92-98 içerir) ve 4.000 gigaton veya fosil yakıtın %80'ini oluşturan en büyük ticari mineral karbon kaynağıdır. ⓘ

Bireysel karbon allotroplarına gelince, grafit Amerika Birleşik Devletleri (çoğunlukla New York ve Teksas'ta), Rusya, Meksika, Grönland ve Hindistan'da büyük miktarlarda bulunur. Doğal elmaslar, eski volkanik "boyunlarda" veya "borularda" bulunan kimberlit kayasında meydana gelir. Elmas yataklarının çoğu Afrika'da, özellikle de Güney Afrika, Namibya, Botsvana, Kongo Cumhuriyeti ve Sierra Leone'dedir. Elmas yatakları ayrıca Arkansas, Kanada, Rus Arktik Bölgesi, Brezilya ve Kuzey ve Batı Avustralya'da da bulunmuştur. Elmaslar artık Ümit Burnu açıklarındaki okyanus tabanından da çıkarılmaktadır. Elmaslar doğal olarak bulunur, ancak ABD'de kullanılan tüm endüstriyel elmasların yaklaşık %30'u artık üretilmektedir. ⓘ

Karbon-14 troposferin üst katmanlarında ve stratosferde 9-15 km yükseklikte kozmik ışınlar tarafından çökeltilen bir reaksiyonla oluşur. Azot-14 çekirdekleriyle çarpışarak karbon-14 ve bir proton oluşturan termal nötronlar üretilir. Bu nedenle, atmosferik karbondioksitin %1,5×10-10'u karbon-14 içerir. ⓘ

Karbon bakımından zengin asteroitler, Güneş Sistemi'ndeki asteroit kuşağının dış kısımlarında nispeten baskındır. Bu asteroitler henüz bilim insanları tarafından doğrudan örneklenmemiştir. Asteroitler, gelecekte mümkün olabilecek, ancak şu anda teknolojik olarak imkansız olan varsayımsal uzay tabanlı karbon madenciliğinde kullanılabilir. ⓘ

İzotoplar

Karbon izotopları, altı proton artı bir dizi nötron (2 ila 16 arasında değişen) içeren atom çekirdekleridir. Karbonun iki kararlı, doğal olarak oluşan izotopu vardır. Karbon-12 (¹²C) izotopu Dünya'daki karbonun %98,93'ünü, karbon-13 (¹³C) ise kalan %1,07'sini oluşturur. Biyolojik materyallerde ¹²C konsantrasyonu daha da artar çünkü biyokimyasal reaksiyonlar ¹³C'ye karşı ayrımcılık yapar. 1961 yılında Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) karbon-12 izotopunu atom ağırlıkları için temel olarak kabul etmiştir. Nükleer manyetik rezonans (NMR) deneylerinde karbonun tanımlanması ¹³C izotopu ile yapılır. ⓘ

Karbon-14 (¹⁴C) doğal olarak oluşan bir radyoizotoptur ve üst atmosferde (alt stratosfer ve üst troposfer) nitrojenin kozmik ışınlarla etkileşimi sonucu oluşur. Dünya üzerinde trilyonda 1 (%0,0000000001) veya daha fazla eser miktarda bulunur ve çoğunlukla atmosferde ve yüzeysel tortularda, özellikle turba ve diğer organik maddelerde sınırlıdır. Bu izotop 0.158 MeV β- emisyonu ile bozunur. Nispeten kısa olan 5730 yıllık yarılanma ömrü nedeniyle, ¹⁴C eski kayalarda neredeyse hiç bulunmaz. Atmosferdeki ve canlı organizmalardaki ¹⁴C miktarı neredeyse sabittir, ancak ölümden sonra vücutlarında tahmin edilebileceği gibi azalır. Bu ilke, 1949 yılında icat edilen ve yaklaşık 40.000 yıla kadar olan karbonlu malzemelerin yaşını belirlemek için yaygın olarak kullanılan radyokarbon tarihlemede kullanılır. ⓘ

Bilinen 15 karbon izotopu vardır ve bunlardan en kısa ömürlü olanı proton emisyonu ve alfa bozunumu yoluyla bozunan ve 1.9⁸739 × 10-21 s yarı ömre sahip olan 8C'dir. Egzotik ¹⁹C bir nükleer halo sergiler, bu da çekirdeğin sabit yoğunluklu bir küre olması durumunda yarıçapının beklenenden önemli ölçüde daha büyük olduğu anlamına gelir. ⓘ

Yıldızlarda oluşumu

Karbon atom çekirdeğinin oluşumu bir dev ya da süper dev yıldızın içinde üçlü alfa süreciyle gerçekleşir. Helyumun hidrojen ya da başka bir helyum çekirdeği ile daha ileri nükleer füzyon reaksiyonlarının ürünleri sırasıyla lityum-5 ve berilyum-8 ürettiğinden, her ikisi de son derece kararsız olan ve neredeyse anında daha küçük çekirdeklere geri bozunan üç alfa parçacığının (helyum çekirdekleri) neredeyse eşzamanlı olarak çarpışmasını gerektirir. Üçlü-alfa süreci 100 megakelvinin üzerindeki sıcaklıklarda ve erken evrenin hızlı genişleme ve soğumasının yasakladığı helyum konsantrasyonu koşullarında gerçekleşir ve bu nedenle Büyük Patlama sırasında önemli bir karbon oluşmamıştır. ⓘ

Mevcut fiziksel kozmoloji teorisine göre karbon, yatay daldaki yıldızların iç kısımlarında oluşur. Büyük yıldızlar süpernova olarak öldüğünde, karbon uzaya toz olarak saçılır. Bu toz, gezegenlerin biriktiği yeni nesil yıldız sistemlerinin oluşumu için bileşen malzeme haline gelir. Güneş Sistemi, bildiğimiz yaşamın var olmasını sağlayan karbon bolluğuna sahip böyle bir yıldız sistemidir. ⓘ

CNO döngüsü yıldızlara güç veren ek bir hidrojen füzyon mekanizmasıdır ve burada karbon bir katalizör olarak çalışır. ⓘ

Karbon monoksitin çeşitli izotopik formlarının (örneğin, ¹²CO, ¹³CO ve ¹⁸CO) dönme geçişleri milimetre altı dalga boyu aralığında tespit edilebilir ve moleküler bulutlarda yeni oluşan yıldızların incelenmesinde kullanılır. ⓘ

Karbon döngüsü

Karbon döngüsü diyagramı. Siyah sayılar çeşitli rezervuarlarda ne kadar karbon depolandığını milyar ton cinsinden göstermektedir ("GtC" gigaton karbon anlamına gelmektedir; rakamlar 2004 civarındadır). Mor sayılar ise her yıl rezervuarlar arasında ne kadar karbon hareket ettiğini göstermektedir. Bu diyagramda tanımlandığı şekliyle sedimanlar, ≈70 milyon GtC karbonat kayası ve kerojeni içermemektedir. ⓘ

Karasal koşullar altında, bir elementin diğerine dönüşümü çok nadirdir. Bu nedenle, Dünya'daki karbon miktarı etkin bir şekilde sabittir. Bu nedenle, karbon kullanan süreçler onu bir yerden elde etmeli ve başka bir yere atmalıdır. Karbonun çevrede izlediği yollar karbon döngüsünü oluşturur. Örneğin, fotosentetik bitkiler atmosferden (veya deniz suyundan) karbondioksit çeker ve bir karbon sabitleme süreci olan Calvin döngüsünde olduğu gibi bunu biyokütle haline getirir. Bu biyokütlenin bir kısmı hayvanlar tarafından yenirken, bir kısım karbon da hayvanlar tarafından karbondioksit olarak dışarı atılır. Karbon döngüsü bu kısa döngüden çok daha karmaşıktır; örneğin, bir miktar karbondioksit okyanuslarda çözünmüş halde bulunur; bakteriler tarafından tüketilmezse, ölü bitki veya hayvan maddeleri yakıldığında karbon açığa çıkaran petrol veya kömüre dönüşebilir. ⓘ

Bileşikler

Organik bileşikler

Mümkün olan en basit organik bileşik olan metanın yapısal formülü. ⓘ

Karbon döngüsü ve organik bileşiklerin oluşumu arasındaki korelasyon. Bitkilerde, karbon fiksasyonu ile oluşan karbondioksit, fotosentezde (yeşil) su ile birleşerek hem bitkiler hem de hayvanlar tarafından kullanılabilen ve daha fazla dönüştürülebilen organik bileşikler oluşturabilir. ⓘ

Karbon, katenasyon adı verilen bir özellik olan, birbirine bağlı karbon-karbon bağlarından oluşan çok uzun zincirler oluşturabilir. Karbon-karbon bağları güçlü ve kararlıdır. Katenasyon yoluyla karbon sayısız bileşik oluşturur. Benzersiz bileşiklerin çetelesi, karbon içerenlerin içermeyenlerden daha fazla olduğunu gösterir. Benzer bir iddia hidrojen için de yapılabilir çünkü organik bileşiklerin çoğu kimyasal olarak karbona ya da oksijen veya nitrojen gibi başka bir ortak elemente bağlanmış hidrojen içerir. ⓘ

Organik bir molekülün en basit şekli hidrokarbondur; bir karbon atomu zincirine bağlanmış hidrojen atomlarından oluşan geniş bir organik molekül ailesidir. Bir hidrokarbon omurgası, heteroatomlar olarak bilinen diğer atomlarla ikame edilebilir. Organik bileşiklerde görülen yaygın heteroatomlar arasında oksijen, nitrojen, sülfür, fosfor ve radyoaktif olmayan halojenlerin yanı sıra lityum ve magnezyum metalleri bulunur. Metal bağları içeren organik bileşikler organometalik bileşikler olarak bilinir (aşağıya bakınız). Genellikle heteroatomları da içeren belirli atom grupları, çok sayıda organik bileşikte tekrarlanır. Fonksiyonel gruplar olarak bilinen bu koleksiyonlar, ortak reaktivite modelleri sağlar ve organik bileşiklerin sistematik olarak incelenmesine ve kategorize edilmesine olanak tanır. Zincir uzunluğu, şekli ve fonksiyonel grupların tümü organik moleküllerin özelliklerini etkiler. ⓘ

Çoğu kararlı karbon bileşiğinde (ve neredeyse tüm kararlı organik bileşiklerde), karbon oktet kuralına uyar ve tetravalenttir, yani bir karbon atomu toplam dört kovalent bağ oluşturur (ikili ve üçlü bağları içerebilir). İstisnalar arasında az sayıda stabilize karbokasyon (üç bağ, pozitif yük), radikal (üç bağ, nötr), karbanyon (üç bağ, negatif yük) ve karben (iki bağ, nötr) bulunur, ancak bu türlerle kararsız, reaktif ara ürünler olarak karşılaşılması daha olasıdır. ⓘ

Karbon bilinen tüm organik yaşamda bulunur ve organik kimyanın temelini oluşturur. Hidrojenle birleştiğinde, soğutucular, yağlayıcılar, çözücüler, plastik ve petrokimyasalların üretimi için kimyasal hammadde olarak ve fosil yakıtlar olarak endüstri için önemli olan çeşitli hidrokarbonları oluşturur. ⓘ

Karbon, oksijen ve hidrojenle birleştiğinde şekerler, lignanlar, kitinler, alkoller, yağlar ve aromatik esterler, karotenoidler ve terpenler dahil olmak üzere birçok önemli biyolojik bileşik grubu oluşturabilir. Azot ile alkaloidleri, kükürt ilavesiyle de antibiyotikleri, amino asitleri ve kauçuk ürünlerini oluşturur. Bu diğer elementlere fosforun eklenmesiyle, yaşamın kimyasal kod taşıyıcıları olan DNA ve RNA ile tüm canlı hücrelerdeki en önemli enerji transfer molekülü olan adenozin trifosfatı (ATP) oluşturur. ⓘ

Ana başlık: Alkoller ⓘ

Mono alkoller, C_nH_2n+1OH genel formülüne sahip, karbon atomuna doğrudan bağlı -OH (hidroksil) grubu bulunduran organik moleküllere denir. En basit üyesi metil alkoldür (CH₃OH). ⓘ

İnorganik bileşikler

Genellikle minerallerle ilişkili olan veya diğer karbon atomlarına, halojenlere veya hidrojene bağ içermeyen karbon içeren bileşikler, klasik organik bileşiklerden ayrı olarak ele alınır; tanım katı değildir ve bazı bileşiklerin sınıflandırılması yazardan yazara değişebilir (yukarıdaki referans makalelere bakınız). Bunlar arasında basit karbon oksitleri de bulunmaktadır. En belirgin oksit karbondioksittir (CO₂). Bu, bir zamanlar paleoatmosferin ana bileşeniydi, ancak bugün Dünya atmosferinin küçük bir bileşenidir. Suda çözündüğünde karbonik asit (H
₂CO
₃), ancak tek bir karbon üzerinde çoklu tek bağlı oksijenlere sahip çoğu bileşik gibi kararsızdır. Yine de bu ara ürün sayesinde rezonans stabilize karbonat iyonları üretilir. Başta kalsit olmak üzere bazı önemli mineraller karbonattır. Karbon disülfür (CS
₂) benzerdir. Bununla birlikte, fiziksel özellikleri ve organik sentezle olan ilişkisi nedeniyle, karbon disülfür bazen organik bir çözücü olarak sınıflandırılır. ⓘ

Diğer yaygın oksit karbon monoksittir (CO). Eksik yanma sonucu oluşur ve renksiz, kokusuz bir gazdır. Moleküllerin her biri üçlü bağ içerir ve oldukça polardır, bu da hemoglobin moleküllerine kalıcı olarak bağlanma eğilimi ile sonuçlanır ve daha düşük bir bağlanma afinitesine sahip olan oksijenin yerini alır. Siyanür (CN-), benzer bir yapıya sahiptir, ancak bir halojenür iyonu (pseudohalogen) gibi davranır. Örneğin, diatomik halojenürlere benzer şekilde nitrür siyanojen molekülünü ((CN)₂) oluşturabilir. Aynı şekilde, siyanürün daha ağır analoğu olan siyafid (CP-) de inorganik olarak kabul edilir, ancak çoğu basit türevleri oldukça kararsızdır. Diğer yaygın olmayan oksitler karbon suboksittir (C
₃O
₂), kararsız dikarbon monoksit (C₂O), karbon trioksit (CO₃), siklopentanepenton (C₅O₅), siklohekzanhekzon (C₆O₆) ve mellitik anhidrit (C₁₂O₉). Bununla birlikte, mellitik anhidrit, mellitik asidin üçlü açil anhidritidir; ayrıca, bir benzen halkası içerir. Bu nedenle, birçok kimyager bunun organik olduğunu düşünmektedir. ⓘ

Tungsten gibi reaktif metallerle karbon ya karbürler (C4-) ya da asetilitler (C2-) oluşturur.
₂) yüksek erime noktalı alaşımlar oluşturmak için. Bu anyonlar, her ikisi de çok zayıf asitler olan metan ve asetilen ile de ilişkilidir. Elektronegatifliği 2,5 olan karbon, kovalent bağlar oluşturmayı tercih eder. Birkaç karbür, elması andıran karborundum (SiC) gibi kovalent kafeslerdir. Bununla birlikte, en polar ve tuz benzeri karbürler bile tamamen iyonik bileşikler değildir. ⓘ

Organometalik bileşikler

Organometalik bileşikler tanım gereği en az bir karbon-metal kovalent bağı içerir. Bu tür bileşiklerin geniş bir yelpazesi mevcuttur; ana sınıflar arasında basit alkil-metal bileşikleri (örneğin, tetraetil kurşun), η²-alken bileşikleri (örneğin, Zeise tuzu) ve η³-allil bileşikleri (örneğin, allilpalladyum klorür dimer); siklopentadienil ligandları içeren metalosenler (örneğin, ferrosen); ve geçiş metali karben kompleksleri bulunur. Birçok metal karbonil ve metal siyanür mevcuttur (örneğin, tetrakarbonilnikel ve potasyum ferrisiyanür); bazı çalışanlar diğer karbon ligandları içermeyen metal karbonil ve siyanür komplekslerini organometalik değil, tamamen inorganik olarak değerlendirmektedir. Bununla birlikte, çoğu organometalik kimyacı, herhangi bir karbon ligandına sahip metal komplekslerini, hatta 'inorganik karbon'u (örneğin, karboniller, siyanürler ve belirli karbür ve asetilid türleri) doğası gereği organometalik olarak kabul eder. Karbon-metal kovalent bağı olmayan organik ligandlar içeren metal kompleksleri (örneğin metal karboksilatlar) metalorganik bileşikler olarak adlandırılır. ⓘ

Karbonun dört kovalent bağ oluşumunu güçlü bir şekilde tercih ettiği anlaşılmakla birlikte, diğer egzotik bağlanma şemaları da bilinmektedir. Karboranlar, [B₁₂H₁₂]^2- biriminin oldukça kararlı dodekahedral türevleridir ve bir BH bir CH⁺ ile değiştirilmiştir. Böylece, karbon beş bor atomuna ve bir hidrojen atomuna bağlanır. Katyon [(Ph₃PAu)₆C]²⁺ altı fosfin-altın parçasına bağlı bir oktahedral karbon içerir. Bu olgu, aksi takdirde kararsız bir türün ek stabilizasyonunu sağlayan altın ligandların aurofilikliğine atfedilmiştir. Doğada, mikrobiyal azot fiksasyonundan sorumlu demir-molibden kofaktörü (FeMoco) de aynı şekilde altı demir atomuna bağlı bir oktahedral karbon merkezine (resmi olarak bir karbür, C(-IV)) sahiptir. 2016 yılında, daha önceki teorik tahminlere uygun olarak, hekzametilbenzen katyonunun altı bağa sahip bir karbon atomu içerdiği doğrulandı. Daha spesifik olarak, katyon yapısal olarak [MeC(η⁵-C₅Me₅)]²⁺ formülüyle tanımlanabilir, bu da onu bir MeC³⁺ parçasının halkanın beş karbonu boyunca bir η⁵-C₅Me₅- parçasına bağlandığı bir "organik metalosen" yapar. ⓘ

Bu antrasen türevi, etrafında 5 resmi elektron çifti bulunan bir karbon atomu içerir. ⓘ

Yukarıdaki durumlarda, karbona olan bağların her birinin ikiden daha az resmi elektron çifti içerdiğine dikkat etmek önemlidir. Dolayısıyla, bu türlerin resmi elektron sayısı bir sekizliyi geçmez. Bu da onları hiperkoordinat yapar ancak hipervalent yapmaz. Akiba ve çalışma arkadaşları tarafından bildirildiği üzere, 10-C-5 türlerinin (yani, beş ligandlı ve on resmi elektron sayısına sahip bir karbon) iddia edildiği durumlarda bile, elektronik yapı hesaplamaları, dört elektronlu üç merkezli bağ içeren diğer bileşikler için geçerli olduğu gibi, karbon etrafındaki elektron popülasyonunun hala sekizden az olduğu sonucuna varmaktadır. ⓘ

Tarihçe ve etimoloji

Antoine Lavoisier gençliğinde ⓘ

İngilizce karbon ismi Latince kömür ve odun kömürü anlamına gelen carbo kelimesinden gelmektedir, Fransızca odun kömürü anlamına gelen charbon da buradan gelmektedir. Almanca, Hollandaca ve Danca'da karbon için kullanılan isimler sırasıyla Kohlenstoff, koolstof ve kulstof'tur ve hepsi de kömür maddesi anlamına gelmektedir. ⓘ

Karbon tarih öncesinde keşfedilmiştir ve en eski insan uygarlıkları tarafından is ve odun kömürü formlarında bilinmekteydi. Elmaslar muhtemelen Çin'de M.Ö. 2500 gibi erken bir tarihte bilinirken, odun kömürü formundaki karbon Roma döneminde bugün olduğu gibi aynı kimya ile, havayı dışarıda bırakmak için kille kaplı bir piramitte odun ısıtılarak üretilmiştir. ⓘ

Carl Wilhelm Scheele ⓘ

1722 yılında René Antoine Ferchault de Réaumur, demirin bugün karbon olduğu bilinen bir maddenin emilmesi yoluyla çeliğe dönüştüğünü göstermiştir. 1772'de Antoine Lavoisier, odun kömürü ve elmas örneklerini yakarak her ikisinin de su üretmediğini ve her ikisinin de gram başına aynı miktarda karbondioksit saldığını tespit ettiğinde, elmasın bir karbon formu olduğunu gösterdi. 1779'da Carl Wilhelm Scheele, kurşunun bir formu olarak düşünülen grafitin, küçük bir demir katkısı dışında odun kömürü ile aynı olduğunu ve nitrik asit ile oksitlendiğinde "hava asidi" (karbondioksit için kullandığı isim) verdiğini gösterdi. 1786'da Fransız bilim adamları Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge ve C. A. Vandermonde, grafitin çoğunlukla karbon olduğunu, Lavoisier'in elmasla yaptığı gibi oksijenle oksitleyerek doğruladılar. Fransız bilim adamları grafitin yapısı için gerekli olduğunu düşündükleri bir miktar demir kalmıştı. Yayınlarında grafitin içinde bulunan ve grafit yandığında gaz olarak açığa çıkan element için karbona (Latince carbonum) adını önerdiler. Antoine Lavoisier daha sonra 1789 tarihli ders kitabında karbonu bir element olarak listeledi. ⓘ

1985'te keşfedilen yeni bir karbon allotropu olan fulleren, buckyballs ve nanotüpler gibi nano yapılı formları içerir. Keşfedenler - Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley - 1996 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü aldılar. Yeni formlara yönelik yenilenen ilgi, camsı karbon da dahil olmak üzere daha fazla egzotik allotropun keşfedilmesine ve "amorf karbonun" kesinlikle amorf olmadığının anlaşılmasına yol açtı. ⓘ

Ana başlık: Odun kömürü ⓘ

Odun kömürü hafif, gözenekli siyah ya da koyu gri renkli bir maddedir; odunun havasız ortamda yakılmasıyla elde edilir. (Karbonun bir başka allotropu olan odun kömürüne ilişkin ayrıntılı bilgi kömür maddesinde verilmiştir.) ⓘ

Üretim

Grafit

Ticari açıdan uygun doğal grafit yatakları dünyanın birçok yerinde bulunmaktadır, ancak ekonomik açıdan en önemli kaynaklar Çin, Hindistan, Brezilya ve Kuzey Kore'dedir. Grafit yatakları metamorfik kökenli olup, şistler, gnayslar ve metamorfize kumtaşları ve kireçtaşlarında kuvars, mika ve feldispatlarla birlikte mercekler veya damarlar halinde, bazen bir metre veya daha fazla kalınlıkta bulunur. Borrowdale, Cumberland, İngiltere'deki grafit yatakları ilk başlarda yeterli büyüklükte ve saflıktaydı, öyle ki 19. yüzyıla kadar kalemler sadece doğal grafit bloklarının şeritler halinde kesilmesi ve şeritlerin ahşapla kaplanmasıyla yapılıyordu. Günümüzde daha küçük grafit yatakları, ana kayanın kırılması ve daha hafif grafitin su üzerinde yüzdürülmesiyle elde edilmektedir. ⓘ

Üç tür doğal grafit vardır: amorf, pul veya kristal pul ve damar veya topak. Amorf grafit en düşük kaliteli ve en bol bulunanıdır. Bilimin aksine, endüstride "amorf", kristal yapının tamamen eksikliğinden ziyade çok küçük kristal boyutunu ifade eder. Amorf grafit daha düşük değerli grafit ürünler için kullanılır ve en düşük fiyatlı grafittir. Büyük amorf grafit yatakları Çin, Avrupa, Meksika ve Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunur. Pul grafit, amorftan daha az yaygın ve daha yüksek kalitededir; metamorfik kayada kristalleşen ayrı plakalar halinde oluşur. Pul grafit, amorf grafitin dört katı fiyatında olabilir. İyi kalitede pul grafit, alev geciktiriciler gibi birçok kullanım için genleşebilir grafit olarak işlenebilir. En önemli yataklar Avusturya, Brezilya, Kanada, Çin, Almanya ve Madagaskar'da bulunmaktadır. Damar veya topak grafit en nadir, en değerli ve en yüksek kaliteli doğal grafit türüdür. Katı topaklar halinde intrüzif kontaklar boyunca damarlarda oluşur ve ticari olarak sadece Sri Lanka'da çıkarılır. ⓘ

USGS'ye göre, 2010 yılında dünya doğal grafit üretimi 1,1 milyon ton olup, Çin 800.000 t, Hindistan 130.000 t, Brezilya 76.000 t, Kuzey Kore 30.000 t ve Kanada 25.000 t katkıda bulunmuştur. Amerika Birleşik Devletleri'nde doğal grafit çıkarılmadığı bildirilmiştir, ancak 2009 yılında tahmini değeri 998 milyon dolar olan 118.000 t sentetik grafit üretilmiştir. ⓘ

Elmas

2005'te elmas üretimi ⓘ

Elmas tedarik zinciri sınırlı sayıda güçlü işletme tarafından kontrol edilmektedir ve aynı zamanda dünya çapında az sayıda yerde yoğunlaşmıştır (bkz. şekil). ⓘ

Elmas cevherinin yalnızca çok küçük bir kısmı gerçek elmastan oluşur. Cevher kırılır, bu sırada daha büyük elmasların bu süreçte yok olmasını önlemek için özen gösterilmesi gerekir ve ardından parçacıklar yoğunluğa göre ayrılır. Günümüzde elmaslar, X-ışını floresanı yardımıyla elmas açısından zengin yoğunluk fraksiyonuna yerleştirilmekte, ardından son ayıklama adımları elle yapılmaktadır. X-ışınlarının kullanımı yaygınlaşmadan önce, ayırma işlemi gres kayışlarıyla yapılıyordu; elmaslar, cevherdeki diğer minerallere kıyasla gres yağına daha güçlü bir şekilde yapışma eğilimine sahiptir. ⓘ

Tarihsel olarak elmasların sadece güney Hindistan'daki alüvyon yataklarında bulunduğu bilinmektedir. Hindistan, yaklaşık olarak MÖ 9. yüzyılda keşfedilmesinden MS 18. yüzyılın ortalarına kadar elmas üretiminde dünyaya öncülük etmiştir, ancak bu kaynakların ticari potansiyeli 18. yüzyılın sonlarında tükenmiştir ve o dönemde Hindistan, 1725 yılında Hintli olmayan ilk elmasların bulunduğu Brezilya tarafından gölgede bırakılmıştır. ⓘ

Birincil yataklardan (kimberlitler ve lamproitler) elmas üretimi ancak 1870'lerde Güney Afrika'daki elmas yataklarının keşfinden sonra başlamıştır. Üretim zaman içinde artmış ve o tarihten bu yana toplam 4,5 milyar karatın üzerinde elmas çıkarılmıştır. Ticari açıdan en uygun elmas yatakları Rusya, Botsvana, Avustralya ve Demokratik Kongo Cumhuriyeti'ndeydi. 2005 yılına gelindiğinde Rusya küresel elmas üretiminin neredeyse beşte birini üretiyordu (çoğunlukla Yakutistan topraklarında; örneğin Mir borusu ve Udachnaya borusu) ancak Avustralya'daki Argyle madeni 2018'de 14 milyon karat üreterek en büyük tek kaynak haline geldi. Yeni bulunan Diavik ve Ekati'deki Kanada madenlerinin, mücevher kalitesinde taşlar üretmeleri nedeniyle daha da değerli hale gelmesi bekleniyor. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nde Arkansas, Colorado ve Montana'da elmas bulunmuştur. 2004 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde mikroskobik bir elmasın şaşırtıcı bir şekilde keşfedilmesi, Ocak 2008'de Montana'nın uzak bir bölgesinde kimberlit borularından toplu numune alınmasına yol açmıştır. ⓘ

Uygulamalar

Mekanik kurşun kalemler için kurşun kalem uçları grafitten yapılır (genellikle kil veya sentetik bir bağlayıcı ile karıştırılır). ⓘ

Asma çubukları ve sıkıştırılmış odun kömürü ⓘ

Dokuma karbon fiberlerden oluşan bir kumaş ⓘ

Silisyum karbür tek kristal ⓘ

Kristal formdaki C₆₀ fulleren ⓘ

Tungsten karbür parmak frezeler ⓘ

Karbon, bilinen tüm canlı sistemler için gereklidir ve onsuz bildiğimiz yaşam var olamazdı (bkz. alternatif biyokimya). Karbonun gıda ve odun dışındaki başlıca ekonomik kullanımı hidrokarbonlar, özellikle de fosil yakıt metan gazı ve ham petrol (petrol) şeklindedir. Ham petrol, petrokimya endüstrisi tarafından rafinerilerde damıtılarak benzin, gazyağı ve diğer ürünler üretilir. Selüloz, bitkiler tarafından ahşap, pamuk, keten ve kenevir şeklinde üretilen doğal, karbon içeren bir polimerdir. Selüloz öncelikle bitkilerde yapıyı korumak için kullanılır. Hayvansal kökenli ticari olarak değerli karbon polimerleri arasında yün, kaşmir ve ipek bulunmaktadır. Plastikler, genellikle ana polimer zincirinde düzenli aralıklarla oksijen ve nitrojen atomları içeren sentetik karbon polimerlerinden yapılır. Bu sentetik maddelerin çoğunun hammaddesi ham petrolden gelmektedir. ⓘ

Karbon ve bileşiklerinin kullanım alanları son derece çeşitlidir. En yaygın olanı karbon çeliği olan demir ile alaşımlar oluşturabilir. Grafit, killerle birleştirilerek yazı yazmak ve çizim yapmak için kullanılan kurşun kalemlerde kullanılan 'kurşunu' oluşturur. Ayrıca yağlayıcı ve pigment olarak, cam üretiminde kalıplama malzemesi olarak, kuru piller için elektrotlarda ve elektrokaplama ve elektroformlamada, elektrik motorları için fırçalarda ve nükleer reaktörlerde nötron moderatörü olarak kullanılır. ⓘ

Kömür, sanat eserlerinde, barbekü ızgaralarında, demir eritmede ve diğer birçok uygulamada çizim malzemesi olarak kullanılır. Odun, kömür ve petrol enerji üretimi ve ısınma için yakıt olarak kullanılır. Mücevher kalitesinde elmas takılarda, endüstriyel elmaslar ise metal ve taşların işlenmesinde kullanılan delme, kesme ve parlatma aletlerinde kullanılır. Plastikler fosil hidrokarbonlardan yapılır ve sentetik polyester liflerin pirolizi ile elde edilen karbon fiber, gelişmiş, hafif kompozit malzemeler oluşturmak üzere plastikleri güçlendirmek için kullanılır. ⓘ

Karbon elyaf, poliakrilonitril (PAN) ve diğer organik maddelerin ekstrüde edilmiş ve gerilmiş filamentlerinin pirolizi ile yapılır. Elyafın kristalografik yapısı ve mekanik özellikleri, başlangıç malzemesinin türüne ve sonraki işleme bağlıdır. PAN'dan yapılan karbon elyaflar dar grafit filamentlerine benzeyen bir yapıya sahiptir, ancak ısıl işlem yapıyı sürekli haddelenmiş bir tabaka halinde yeniden düzenleyebilir. Sonuç, çelikten daha yüksek spesifik gerilme mukavemetine sahip liflerdir. ⓘ

Karbon siyahı matbaa mürekkebinde, yağlı boya ve sulu boyalarda, karbon kağıdında, otomotiv kaplamalarında, Hindistan mürekkebinde ve lazer yazıcı tonerinde siyah pigment olarak kullanılır. Karbon siyahı ayrıca lastik gibi kauçuk ürünlerde ve plastik bileşiklerde dolgu maddesi olarak kullanılır. Aktif kömür, gaz maskeleri, su arıtma ve mutfak davlumbazları gibi çok çeşitli uygulamalarda filtre malzemesinde emici ve adsorban olarak ve tıpta sindirim sistemindeki toksinleri, zehirleri veya gazları emmek için kullanılır. Karbon, yüksek sıcaklıklarda kimyasal indirgemede kullanılır. Kok kömürü demir cevherini demire dönüştürmek için kullanılır (eritme). Çeliğin sertleştirilmesi, bitmiş çelik parçaların karbon tozu içinde ısıtılmasıyla elde edilir. Silisyum, tungsten, bor ve titanyum karbürleri bilinen en sert malzemeler arasındadır ve kesme ve taşlama aletlerinde aşındırıcı olarak kullanılır. Karbon bileşikleri, doğal ve sentetik tekstiller ve deri gibi giyimde kullanılan malzemelerin çoğunu ve cam, taş ve metal dışında yapılı çevredeki iç yüzeylerin neredeyse tamamını oluşturur. ⓘ

Elmaslar

Elmas endüstrisi iki kategoriye ayrılır: biri mücevher sınıfı elmaslarla, diğeri ise endüstriyel sınıf elmaslarla ilgilenir. Her iki elmas türünde de büyük bir ticaret mevcut olsa da, iki piyasa önemli ölçüde farklı işlemektedir. ⓘ

Altın veya platin gibi değerli metallerin aksine, mücevher elmasları bir emtia olarak işlem görmez: elmasların satışında önemli bir kar payı vardır ve elmasların yeniden satışı için çok aktif bir pazar yoktur. ⓘ

Endüstriyel elmaslar çoğunlukla sertlikleri ve ısı iletkenlikleri için değerlendirilir, berraklık ve rengin gemolojik nitelikleri çoğunlukla önemsizdir. Çıkarılan elmasların yaklaşık %80'i (yılda yaklaşık 100 milyon karat veya 20 tona eşittir) değerli taş olarak kullanılmaya uygun değildir ve endüstriyel kullanıma (bort olarak bilinir) ayrılmıştır. 1950'lerde icat edilen sentetik elmaslar neredeyse anında endüstriyel uygulamalar bulmuştur; yılda 3 milyar karat (600 ton) sentetik elmas üretilmektedir. ⓘ

Elmasın baskın endüstriyel kullanımı kesme, delme, taşlama ve cilalamadır. Bu uygulamaların çoğu büyük elmaslar gerektirmez; aslında, küçük boyutları dışında mücevher kalitesindeki elmasların çoğu endüstriyel olarak kullanılabilir. Elmaslar matkap uçlarına veya testere bıçaklarına gömülür veya taşlama ve cilalama uygulamalarında kullanılmak üzere toz haline getirilir. Özel uygulamalar arasında laboratuvarlarda yüksek basınçlı deneyler için muhafaza olarak kullanım (bkz. elmas örs hücresi), yüksek performanslı rulmanlar ve özel pencerelerde sınırlı kullanım yer almaktadır. Sentetik elmas üretiminde devam eden ilerlemelerle birlikte yeni uygulamalar mümkün hale gelmektedir. Elmasın mikroçipler için uygun bir yarı iletken olarak ve olağanüstü ısı iletkenliği özelliği nedeniyle elektronikte bir ısı emici olarak olası kullanımı büyük heyecan yaratmaktadır. ⓘ

Önlemler

Sunray, Teksas'taki karbon siyahı fabrikasında çalışan işçi (fotoğraf John Vachon, 1942)

Saf karbon insanlar için son derece düşük toksisiteye sahiptir ve grafit veya odun kömürü şeklinde güvenle kullanılabilir. Sindirim sisteminin asidik içeriğinde bile çözünmeye veya kimyasal saldırıya karşı dirençlidir. Sonuç olarak, bir kez vücut dokularına girdiğinde orada süresiz olarak kalması muhtemeldir. Karbon siyahı muhtemelen dövme yapımında kullanılan ilk pigmentlerden biridir ve Buz Adam Ötzi'nin yaşamı boyunca ve ölümünden sonra 5200 yıl boyunca hayatta kalan karbon dövmeleri olduğu bulunmuştur. Büyük miktarlarda kömür tozu veya is (karbon siyahı) solunması tehlikeli olabilir, akciğer dokularını tahriş edebilir ve konjestif akciğer hastalığı olan kömür işçisi pnömokonyozuna neden olabilir. Aşındırıcı olarak kullanılan elmas tozu yutulduğunda veya solunduğunda zararlı olabilir. Dizel motor egzoz dumanlarında karbon mikropartikülleri üretilir ve akciğerlerde birikebilir. Bu örneklerde, zarar karbonun kendisinden ziyade kirleticilerden (örn. organik kimyasallar, ağır metaller) kaynaklanabilir. ⓘ

Karbon genellikle Dünya'daki yaşam için düşük toksisiteye sahiptir; ancak karbon nanopartikülleri Drosophila için ölümcüldür. ⓘ

Karbon, yüksek sıcaklıklarda havanın varlığında güçlü ve parlak bir şekilde yanabilir. Oksijen yokluğunda yüz milyonlarca yıl boyunca inert kalan büyük kömür birikimleri, kömür madeni atık uçlarında, gemi kargo ambarlarında ve kömür bunkerlerinde ve depolama çöplüklerinde havaya maruz kaldığında kendiliğinden yanabilir. ⓘ

Grafitin nötron moderatörü olarak kullanıldığı nükleer uygulamalarda, Wigner enerjisinin birikmesi ve ardından ani, kendiliğinden bir salınım meydana gelebilir. En az 250 °C'ye kadar tavlama işlemi enerjiyi güvenli bir şekilde serbest bırakabilir, ancak Windscale yangınında prosedür yanlış gitmiş ve diğer reaktör malzemelerinin yanmasına neden olmuştur. ⓘ

Çok çeşitli karbon bileşikleri arasında tetrodotoksin, hint yağı bitkisi Ricinus communis'in tohumlarından elde edilen lektin risin, siyanür (CN-) ve karbon monoksit gibi ölümcül zehirler ve glikoz ve protein gibi yaşam için gerekli maddeler bulunmaktadır. ⓘ

Kömürler

Karbon karası

Karbon karası ise gazyağı, terebentin, benzen ya da mum gibi maddelerin havasız az ortamlarda yandıklarında çıkardıkları istir. Karbon karası katışıksız, yumuşak, siyah renkli bir tozdur; yağla karıştırılarak matbaa mürekkebi, boya ve ayakkabı cilasında kullanılır. Ayrıca otomobil ve bisiklet lastiklerinin yapımında, aşınmaya karşı daha dayanıklı kılmak amacıyla karbon karasından yararlanılır. ⓘ

Kok kömürü

Ana başlık: Kok kömürü ⓘ

Kok kömürü, kömürün havasız ortamda, yüksek sıcaklıklarda yakılmasıyla elde edilir. Kok kömüründeki karbon oranı yaklaşık %90'dır. Karbon elementi gerek kömür, antrasit ve kok kömürü olarak, gerek bileşik halde bulunduğu selüloz ve petrol olarak çok önemli bir yakıttır. Karbon ve oksijen bileşikleri birbirleriyle çok kolay birleşir. Çinko, demir, kalay ya da kurşun oksitler gibi metal oksitleri karbon ile birlikte ısıtıldığında, karbon metal oksitteki oksijenle birleşir ve geriye katışıksız metal kalır. Bu indirgenme tepkimesinden sanayide yararlanılır. ⓘ