کربن عنصری شیمیایی با نماد C و عدد اتمی ۶ است. واژه کربن برگرفته از واژه‌ای لاتین به‌نام کربو به معنای زغال‌سنگ است. این عنصر، که در ردهٔ عناصر غیرفلزی جای می‌گیرد، چهارظرفیتی است، به این معنی که چهار الکترون در دسترس برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی دارد.

این عنصر از گروه چهاردهم در جدول تناوبی و دارای سه ایزوتوپ طبیعی است. این ایزوتوپ‌ها عبارت‌اند از کربن-۱۲ و کربن-۱۳ که ایزوتوپ‌های پایداری هستند و کربن-۱۴ یک ایزوتوپ پرتوزا محسوب می‌شود و زمان نیمه‌عمر واپاشی آن حدود ۵۷۳۰ سال است.

از نظر فراوانی، این عنصر پانزدهمین عنصر در پوسته زمین و پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن، چهارمین عنصر در کیهان است. این عنصر به لحاظ جرم، پس از اکسیژن، دومین عنصر موجود در بدن انسان است و حدود ۱۸٫۵ درصد از جرم بدن انسان را تشکیل می‌دهد.

کربن طیف گسترده‌ای از ترکیبات را شامل می‌شود.طوری که دامنه آن گستره‌تر از هر عنصر دیگری است. تا به‌امروز بیش از ده میلیون ترکیب آلی ثبت شده‌است . مسیر شناسایی ترکیبات جدیدتر همچنان باز است . چرا که این تعداد ترکیب کشف شده تنها بخشی از ترکیبات مجموعه ترکیبات این عنصر  فرضی ممکن و پایدار در شرایط استاندارد هستند و به همین علت از کربن به‌عنوان «پادشاه عناصر»یاد شود.

تاریخچه کربن

در سال ۱۷۲۲، رنه آنتوان فرشاکو دی رامور نشان داد که آهن با جذب برخی از مواد به فولاد تبدیل می‌شود، که امروزه به‌عنوان کربن شناخته شده‌است. در سال ۱۷۷۲، آنتوان لاووازیه، پدر علم شیمی نوین نشان داد که الماس‌ها، نوعی کربن هستند. او با سوزاندن زغال‌سنگ و الماس دریافت که پس از سوختن هیچ‌کدام آبی تولید نمی‌کنند و هر دو به مقدار یکسان دی‌اکسید کربن در هر گرم آزاد می‌کنند.

 زمانی که تصور می‌شد گرافیت شکل دیگری از سرب است، کارل ویلهلم شیله نشان داد که گرافیت درواقع همانند زغال چوب است با این تفاوت که دارای مخلوط کوچکی از آهن است. از آن‌جا که که گرافیت در زمان واکنش با نیتریک اسید موجب تولید دی‌اکسید کربن می‌شود، او نام اسید هوایی را روی آن گذاشت.

در سال ۱۷۸۶، دانشمندان فرانسوی، کلود لویی برتوله، گاسپار مونژ و سی. اِی. واندرموند با اکسید کردن گرافیت به همان روشی که لاووازیه برای الماس انجام داده بود تأیید کردند که گرافیت بیشتر این عنصر است. با باقی ماندن مقداری آهن در انتها، آنها بر این باور شدند که آهن در ساختار گرافیت لازم است. آنها در نگارش‌های خود برای گازی که از سوختن گرافیت خارج می‌شد نام کاربون را پیشنهاد دادند که از واژه لاتین کاربونوم گرفته شده بود.

در سال ۱۹۸۵ شیمی‌دان‌های آمریکایی رابرت کرل و ریچارد اسمالی و شیمی‌دان بریتانیایی هارولد کروتو موفق به کشف فولرن، یکی از دگرشکل‌های مصنوعی این عنصر شدند .که خود انواع گوناگون و متعددی شامل اشکال نانوساختار مانند باکی‌بال‌ها و نانولوله‌ها است.کاشفان این شکل جدید از این عنصر در سال ۱۹۹۶ جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.

ترکیبات

ترکیبات آلی

مقاله‌های اصلی: شیمی آلی و ترکیب آلی ارتباط میان چرخه کربن و شکل‌گیری ترکیب‌های آلی. در گیاهان، به‌وسیله تثبیت کربن و طی فرایند فتوسنتز، کربن دی‌اکسید به آب می‌پیوندد (فلش سبز) تا موجب تولید ترکیب‌های آلی شود که آن‌ها نیز می‌توانند توسط گیاهان و جانوران به مولکول‌های دیگر تبدیل شوند.فرمول ساختاری مولکول متان، ساده‌ترین ترکیب آلی پایدار

هیدروکربنها، ساده‌ترین شکل از مولکول‌های آلی هستند، خانواده بزرگی از مولکول‌های آلی که تنها از اتم‌های هیدروژن متصل به کربن تشکیل شده‌اند. چنانچه در ساختار یک مولکول هیدروکربن اتم‌های دیگری به‌جز کربن و هیدروژن حضور داشته باشد، آن مولکول دیگر یک هیدروکربن تلقی نمی‌شود و به آن اتم‌ها، اصطلاحاً ناجور اتم گفته می‌شود.

نمونه‌هایی از ترکیبات آلی کربن‌دار

شکر از جمله ترکیبات آلی کربن‌دار است که در بسیاری از مواد خوراکی استفاده می‌شود.

الکلها، دسته‌ای از ترکیبات آلی هستند که در آنها یک یا چند گروه هیدروکسیل (OH-)، به اتم‌های این عنصر  متصل شده‌اند.

آموکسی‌سیلین، از مهمترین و پرمصرف‌ترین آنتی‌بیوتیکهای جهان از داروهای خانواده پنی‌سیلینها و از دسته بتالاکتام‌ها است.

در فصل پاییز با کاهش کلروفیل کاروتنوئیدها، موجب تغییر رنگ برگ درختان می‌شوند.

هیدروکربنها، اساس فراورده‌های پتروشیمی هستند.

ترکیبات معدنی

به‌صورت معمول، ترکیبات حاوی کربن که ترکیباتی معدنی تلقی می‌شوند، فاقد پیوند کربن-کربن، کربن-هیدروژن و کربن-هالوژن هستند و در طبقه‌ای کاملاً جدا نسبت به ترکیبات آلی قرار می‌گیرند. یک دسته از ترکیبات کربنی معدنی، اکسیدهای ساده کربن هستند. برجسته‌ترین ترکیب از خانواده اکسیدهای کربنی، کربن دی‌اکسید است، مولکولی که در تاریخ گذشته زمین جزء اصلی جو زمین بوده‌است، اما امروزه تبدیل به جزئی ناچیز از آن شده‌است.

زمانی که کربن دی‌اکسید در آب حل می‌شود منجر به تولید کربنیک اسید می‌شود، اما همانند اغلب ترکیبات دارای چندین پیوند یگانه اکسیژن متصل به یک اتم کربن، ناپایدار است و به مرور تجریه می‌شود. با این‌حال اسید کربنیک قادر به تولید ساختار کربنات (^–CO_۳^۲) است که از طریق عدم استقرار الکترون میان کربن مرکزی و اکسیژن‌های متصل به آن، پایدار می‌شود. کلسیت از جمله مواد معدنی مهمی است که حاوی گروه کربنات است. کربن دی‌سولفید نیز مشابه کربنات است . با این‌حال، به‌علت خواص فیزیکی و همچنین کاربرد آن در سنتز ترکیبات آلی، معمولاً از آن به‌عنوان یک حلال آلی یاد می‌شود.

کربن مونوکسید از دیگر اکسیدهای متداول کربنی که از سوختن ناقص ترکیبات آلی ایجاد می‌شود، گازی بدون بو و رنگ است. ساختار این ترکیب متشکل از یک پیوند سه‌گانه قطبی میان اتم کربن و اکسیژن است که منجر به تمایل بسیار قوی این مولکول برای اتصال دائمی با اتم آهن موجود در مولکول هموگلوبین می‌شود. این موضوع سبب می‌شود که در صورت وجود کربن مونوکسید در خون، جای اکسیژن بر روی هموگلوبین را به علت تمایل بالای اتصال خود اشغال نماید.

ترکیبات آلی فلزی

ترکیبات آلی فلزی بر اساس تعریف به مولکول‌های گفته می‌شود که حداقل حاوی یک پیوند کربن-فلز باشند. گستره وسیعی از چنین ترکیباتی وجود دارد که ترکیبات ساده آلکیل-فلز (مانند تترااتیل‌سرب)، η^۲-آلکان (مانند نمک زایس)، η^۳-آلیل (مانند دیمر آلیل‌پالادیم کلرید)، متالوسنهای حاوی لیگاندهای سیکلوپنتادی‌انیل (مانند فروسن) و کمپلکس‌های کاربنی فلزات واسطه از مهم‌ترین مجموعه‌های این طیف وسیع هستند.

نمونه‌هایی از ترکیبات آلی فلزی

یکی از مشتقات فروسن که به‌عنوان عامل ضدکوبش به بنزین اضافه می‌شود.

نمک زایس: یکی از اولین نمونه‌های کشف شده ترکیبات آلی فلزی

تری‌متیل‌آلومینیوم: استفاده در تولید صنعتی برخی از الکل‌ها

روکسارسون: استفاده به‌عنوان افزودنی به غذا و ضدانگل در پرورش طیور

سستامیبی تکنیتیوم-۹۹ام: استفاده برای تصویربرداری از ماهیچه‌های قلب در پزشکی هسته‌ای

مشتقات

الماس

تولید الماس در سال ۲۰۰۵الماس امید، از مشهورترین جواهرات جهان استدستگاه بارس (BARS) که با کمک آن می‌توان با ایجاد فشار و دمای بالا، کانی‌های سنتزی مانند الماس مصنوعی تولید کرد.تنها کسر کوچکی از سنگ معدن الماس حاوی الماس واقعی است. سنگ‌های معدن پس از جمع‌آوری، طوری خرد می‌شوند که آسیبی به الماس موجود در آن‌ها وارد نشود . در ادامه ذرات به‌دست آمده بر اساس میزان چگالی دسته‌بندی می‌شوند.

امروزه، پس از این که بررسی اولیه با دست انجام شد، عملیات تعیین میزان چگالی الماس به‌صورت دقیق و با کمک طیف‌سنجی فلورسانس پرتو ایکس انجام می‌شود.

الیاف کربن

الیاف کربن یا الیاف گرافیت، الیافی با حدود ۵–۱۰ میکرومتر قطر هستند و بیشتر از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند. این محصول دارای چندین مزیت از جمله سفتی بالا، مقاومت کششی نهایی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دما بالا و انبساط حرارتی کم هستند. این خاصیت‌ها باعث شده‌است که فیبر کربن در برنامه‌های هوافضا، مهندسی عمران، نظامی و موتورسواری، به همراه سایر ورزش‌های رقابتی، بسیار محبوب شود.

گرافین کربن

گرافین یا گرافن از دگرشکل های این عنصر است. این ماده تشکیل‌شده از یک دستگاه بلوری شش‌گوشه دوبعدی است. که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند دارای هیبریداسیون sp^۲، به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است که این ساختار، ساختار اساسی تشکیل دهنده سایر دگرشکل‌ها از جمله گرافیت، زغال‌سنگ، نانولوله کربنی و فولرن ها است. همچنین می‌تواند به‌عنوان یک مولکول با خصلت آروماتیکی برای خانواده هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای مسطح در نظر گرفته شود. گرافن داری مجموعه ویژگی‌هایی است که آن را از سایر دگرشکل‌های این عنصر جدا می‌کند.

در ضخامت برابر، تقریباً ۱۰۰ برابر قوی‌تر از فولاد است. با این وجود چگالی آن به‌طور چشم‌گیری از فولاد پایین‌تر است و جرم سطحی آن ۰٫۷۶۳ میلی‌گرم در هر متر مربع است. هدایت گرما و الکتریسیته را بسیار کارآمد انجام می‌دهد و تقریباً شفاف است. گرافن همچنین یک دیامغناطیس است. محققان اثر ترانزیستور پیوندی دوقطبی، جریان پرتابیک و نوسانات کوانتومی زیادی را در مواد آن شناسایی کرده‌اند.

نانولوله کربن

نانولوله‌های کربنی (CNTs) لوله‌هایی هستند که از کربن ساخته شده و قطرهایی در حد نانومتر دارند. این محصول به‌طور مستقل توسط دو گروه تحقیقاتی سومیو ایجیما و تویشناری ایچیهاشی از ژاپن و دونالد بتهونه از آمریکا کشف شدند. نانولوله‌های کربنی تک جداره یکی از دگرشکل‌های کربن و واسطه‌ای بین فولرن و گرافن‌های مسطح است. می‌توان نانولوله‌های کربنی تک جداره را به‌عنوان برش‌هایی از یک شبکه شش‌ضلعی اتم‌های کربنی که در امتداد یکی از بردارهای شبکه براوه قرار گرفته‌اند تصور کرد تا یک استوانه توخالی شکل بگیرد.

نانو لوله‌های کربنی، ساختارهای حلقوی تو خالی و متشکل از اتم‌های کربن هستند که می‌توانند به شکل تک یا چند جداره آرایش یابند و دارای خواص فلزی و شبه رسانایی نیز هستند. نانولوله‌های کربنی می‌توانند هدایت الکتریکی قابل توجهی داشته باشند. همچنین دارای کشش سطحی فوق‌العاده و هدایت حرارتی هستند. به دلیل نانوساختار بودن و استحکام پیوندهای بین اتم‌های کربن. علاوه بر این، آنها می‌توانند از نظر شیمیایی اصلاح شوند. این خواص در بسیاری از زمینه‌های فناوری، از جمله الکترونیک، نورشناسی، مواد کامپوزیت، نانوفناوری می‌تواند کاربردی باشد .

فولرن

فولرن که مولکول آن از اتم‌های کربن متصل شده توسط پیوندهای منفرد و دوتایی تشکیل شده‌است به طوری که می‌تواند شبکه توری مانند بسته یا نیمه بسته با حلقه‌های پنج تا هفت اتم را تشکیل دهد. این مولکول ممکن است یک کره توخالی، بیضی، استوانه یا بسیاری از اشکال و اندازه‌های دیگر باشد. پس از سنتز تصادفی آنها در سال ۱۹۸۵ در طبیعت و فضای بیرونی کشف شدند.

کشف فولرن‌ها باعث افزایش تعداد آلوتروپ‌های کربن شناخته شده شد که قبلاً محدود به گرافیت، الماس و کربن آمورف مانند دوده و زغال بود. فولرن‌ها به‌دلیل خواص شیمیایی و کاربردهای جدیدشان، خصوصاً در علم مواد، الکترونیک و نانوفناوری، مورد توجه تحقیقات جدی بوده‌اند. فولرن باکمینستر یا توپ باکی یک مولکول کروی با فرمول C_۶۰ است.

زغال

زغال باقی مانده‌ای از کربن سیاه سبک است . به وسیله حرارت زیاد چوب یا سایر مواد حیوانی و گیاهی تولید می‌شود. به طوری که تمام آب و سایر مواد سازنده فرار در این فرایند از بین می‌رود. این فرایند هنگام سوختن چوب در شومینه یا اجاق چوبی نیز اتفاق می‌افتد. شعله قابل مشاهده در آن حالت در واقع به دلیل سوختن مواد فرار ناشی از تبدیل چوب به زغال است.

زغال انواع مختلفی دارد و افزون بر نمونهٔ رایج آن می‌توان به کربن فعال، خشته و زغال قندی اشاره کرد. زغال قند از کربنی شدن شکر بدست می‌آید. سپس برای مدت طولانی در جریان کلر می‌سوزد تا آخرین آثار هیدروژن در آن از بین برود. آنری مواسان در تلاش اولیه خود برای ساخت الماس مصنوعی از آن استفاده کرد .

الماس‌ها

صنعت الماس در دو دسته متفاوت قرار می‌گیرد. دسته اول شامل الماس‌های با کیفیت می‌شود که برای استفاده در گوهرسنگ و جواهرات است و دسته دوم در مصارف صنعتی کاربرد دارد. در حالی‌که تجارت بزرگی برای هر دو نوع الماس وجود دارد، با این‌حال بازارهای مربوط به این دو نوع الماس، به‌صورت کاملاً متفاوتی عمل می‌کنند. الماس‌های مورد استفاده در جواهرات و زیور آلات، برخلاف فلزات گرانبهایی مانند طلا یا پلاتین همانند یک کالای اقتصادی مبادله نمی‌شوند. قیمت این نوع الماس‌ها به‌صورت قابل توجهی بالا است و در نتیجه بازار فعالی برای فروش مجدد این نوع الماس‌ها وجود ندارد.

الماس‌های صنعتی بیشتر به دلیل سختی و رسانش گرمایی، از ارزش بالایی برخوردار هستند و ویژگی‌های زمین‌شناسی مانند شفافیت و رنگ الماس، ملاکی برای ارزش صنعتی آن نیست. حدود ۸۰٪ الماس‌های استخراج شده (برابر با ۱۰۰ میلیون قیراط یا ۲۰ تن در سال) که با نام بورت شناخته می‌شوند. به‌عنوان سنگ‌های قیمتی مناسب نیستند و از آن‌ها برای مصارف صنعتی استفاده می‌شود. الماس مصنوعی، که در دهه ۱۹۵۰ اختراع شد، بلافاصله کاربردهای صنعتی پیدا کرد. سالانه ۳ میلیارد قیراط (۶۰۰ تن) الماس مصنوعی تولید می‌شود.

هموپرفیوژن

اولین استفاده بالینی از سلول‌های مصنوعی در هموپرفیوژن توسط محصور کردن کربن فعال صورت گرفت. زغال فعال قادر به جذب بسیاری از مولکول‌های بزرگ است . مدت زیادیست که به دلیل توانایی آن در از بین بردن مواد سمی از خون در مسمومیت‌های ناخواسته یا مصرف بیش از حد دارو شناخته شده‌است. با این حال، پرفیوژن از طریق تزریق مستقیم کربن فعال سمی است زیرا منجر به آمبولیسم و آسیب سلول‌های خون می‌شود و به دنبال آن پلاکتها از بین می‌روند .

آرتا استیل تهران متخصص واردات و توزیع انواع ورق های آلیاژی، استنلس استیل و فولاد ضد زنگ، میلگردهای استنلس استیل، لوله و پروفیل و ورقهای فنری، آمادگی خود را جهت همکاری و تأمین کلیه مقاطع فولادی و استنلس استیل به صنعتگران محترم اعلام می دارد. همچنین شما به راحتی می‌ توانید با کارشناسان ما تماس و نسبت به ثبت سفارش خود اقدام نمایید .