کربن

تاریخچه
عنصر کربن بطور طبیعی در تمام دنیا بصورت گسترده ا ی در اشکال مختلف کریستالی، منظم شده و بی شکل توزیع و پراکنده شده است.

کربن و گرافیت در اشکال مختلف ساخته شده شان رتج مختلفی از خواص حرارتی، الکتریکی و شیمیایی را نشان می دهند که این خواص با انتخاب مواد اولیه و عملیات حرارتی که در حین ساخت بروی آن انجام می گیرد بستگی داشته و کنترل می گردد.

مواد پایه کربنی بعلت پیوند های شیمیایی مختلف اتم های کربن ساختارهای کریستالی مختلف از خود نشان داده و از خواص مختلفی از جمله سختی عالی، بند گپ عریض، هدایت حرارتی بالا و غیره برخوردارند.

در مقایسه با موادی با خواص مشابه مواد کربنی در بسیاری از موارد فوق العاده هستند.محصولات کربنی کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف از مصارف عمومی مردم گرفته تا صنعت هوافضا دارند

محصولات کربنی بعنوان کالا های تمام شده نظیر دستک های گلف، فیلترهای کربن اکتیو و اجزا ترکیبات لا ستیکی در دسترس هستند. محصولات کربنی دیگر مثل آند های کربنی بعنوان اجزای موثر در تولید محصولات تمام شده ای نظیر آلومینیوم و فولاد مصرف می شوند.

کربن
عنصر کربن در مقیاس جهانی از یک فرآیند به فرایندی دیکر در مسیر کاربردهای نهایی دا’یما در حال تغییر وتبدیل می باشد.
اساسا هر ماده آلی قابل تبدیل شدن به کربن تحت فرایندی حرارتی است.

فرآیند کربنیزاسیون از حرارت برای تبدیل ماده اولیه به پلیمرکربنی استفاده می کند. بعضی از مواد ادلیه کربنی در این فرایند تبدیل به ساختار گرافیتی سه بعدی یا ساختار نزدیک به گرافیت می یابند.

اختلافی که در خواص محصول کربنی نهایی وجود دارد بستگی به مواد خام اولیه کربنی و وسعت فرآیند های شیمیایی و فیزیکی مورد نیاز جهت منظم شدن و اینکه استحاله حرارتی انجام گرفته از حالت بخار به مایع و فاز جامد دارد.

تولیدات کربنی را با توجه به وسعت فرایند های انجام شده بروی مواد به سه گروه تقسیم می کنند: مواد خام، مواد اولیه کربنی و کالای تمام شده کربنی.

قیر زغال سنگ و کک نفتی دو ماده ادلیه پایه و اساسی برای صنعت محصولات کربنی بشمار می روند.

این مواد محصولات جانبی پالایشگاههای نفت خام و زغال سنگ و بقیه انواع عملیات فراوری نفت خام و زغال سنگ بشمار می رود که از نقطه نظر سیاست کاربرد مواد ضایعات نکته مثبتی می باشد .

کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است، با نشان C و عدد اتمی ۶. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان، چهارظرفیتی ودارای سه آلوتروپ می‌‌باشد:

الماس (سخت‌ترین کانی شناخته شده)

گرافیت(یکی از نرم‌ترین مواد)

کربن

فولریت (فولرین ها، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن، ۶۰ اتم کربن یک لایه گرافیتی با ساختمان ۳ بعدی منحنی، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده)، تشکیل می‌‌دهند .

دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده. این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل ساختمان آن همسانگرد (ایزوتروپیک) است.

چنین کربنی همسانگرد و مانند شیشه محکم است. لایه‌های گرافیت آن مانند کتاب مرتب نشده اند، بلکه مانند کاغذ خرد شده می ‌‌باشند.

الیاف کربن شبیه کربن شیشه‌ای می‌‌باشند. تحت مراقبتهای ویژه (کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) می‌توان لایه‌های صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد. هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمی‌گیرد.

نتیجه الیافی با استحکام بیشتر از فولاد می‌‌باشد . کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل می‌‌دهد.همچنین این غیرفلز ویژگی جالبی دارد که می‌تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند(تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب).

در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن می‌کند که برای رویش گیاهان، حیاتی می‌‌باشد.در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود می‌‌آورد که به شکل سوختهای فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند.

وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را می‌‌سازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوه‌ها است، ضروری است.ایزوتوپ C-14 به طور متداول در سن یابی پرتوزایشی کاربرد دارد.

اشکال

کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم‌ترین (گرافیت) و یکی از سخت‌ترین (الماس) مواد شناخته شده توسط انسان می‌‌باشد.

افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود می‌‌آورد.

این خصوصیات باعث شکل گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین می‌‌سازند و چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از انرژیتولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تأمین می‌کند.

ولید کربن کربن در اثر مهبانگ (انفجار بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحله‌ای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم) دارد.

جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بود. به هر حال، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن تبدیل می‌کنند، تولید شد.

کاربردها

کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می‌‌دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت(به برتر پنداری کربن مراجعه کنید).

عمده‌ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها می‌‌باشد که قابل توجه‌ترین آنها سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است.نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم‌ترین آنها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار می‌رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست می‌‌آیند.

از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده می‌شوند، شکل می‌گیرد.

نمودار فازی کربن

تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرن .

ربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد.این شکل کربن، بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل می‌‌دهد.

در فشار و دمای اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقه‌های شش وجهی- درست مثل هیدروکربنهای معطر – به هم متصل شده اند.

هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها می‌‌باشد.

گرافیتهای طبیعی شامل بیش از ۳۰% نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا می‌‌باشند. نوع آلفا از طریق فرآوری مکانیکی می‌تواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر می‌گردد.

نمودار کربن

گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقه‌های آن که اغلب به‌وسیله اتمهای دیگر تفکیک شده اند، تنها به‌وسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیده‌اند به گونه‌ای که به راحتی یکدیگر را کنار می‌‌زنند.
در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد.

الماس ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور هم‌الکترون(BN) در کنارهم بوده و سخت ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار می‌رود.

تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به قدری کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت (lonsdalite) متبلور می‌شود که مشابه الماس ولی شش ضلعی است.

فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخش‌های تماما” شش ضلعی، حاوی پنج ضلعیها (یا احتمالا” هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز می‌‌باشند که ورقه را به شکل کره، بیضی یا استوانه بوجود می‌‌آورند. ویژگیهایی از فولرین با نام فول

رین باکمینستر (buckminsterfullerene) هم نامیده می‌شوند هنوز بخوبی بررسی نشده اند. اینگونه ساختار را به گونه کوتاه شده، گلوله‌های باکی (buckyballs) هم نامیده اند.

کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینستر فولر (Buckminster Fuller)، توسعه دهنده گنبد میله‌ای می‌‌باشد که از ساختار گلوله‌های باکی تقلید کرد.

پیدایش

تقریبا” ده میلیون ترکیبات کربنی که برای دانش شناخته شده‌اند وجود دارد.

که هزاران نوع آنها در فرآیندهای حیاتی و واکنشهای آلی بسیار مهم اقتصادی، ضروری می‌‌باشند.این عنصر به مقدار فراوان در خورشید، ستارگان، ستاره‌های دنباله دار و نیز در جو بیشتر سیارات یافت می‌شود.

بعضی از شهابسنگها حاوی الماسهای میکروسکپی هستند که در زمانیکه منظومه شمسی هنوز یک دیسک گازی شکل بود شکل گرفته اند.کربن به صورت ترکیب با سایر عناصر در جو زمین وجود دارد و در همه گونه آب حل می‌شود.

کربن به همراه مقادیر کمتر کلسیم، منیزیم و آهن، عنصر اصلی سازنده جرم زیادی از سنگ کربنات (سنگ آهک، دولمیت، سنگ مرمر و …) می‌‌باشد. این عنصر در صورت ترکیب با هیدروژن تولید ذغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی می‌کند که آنها را هیدرو کربن می‌‌نامند. گرافیت به مقدار فراوان در نیویورک و تکزاس، آمریکا، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت می‌شود. الماس طبیعی در کیمبرلیت معدنی موجود درچینه‌ها یا ستونهای سنگهای آذرین یافت می‌شوند.

بیشترین الماس در آفریقا بویژه آفریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون وجود دارد. همچنین کانادا، قسمت‌های قطبی روسیه، برزیل و بخش‌های غربی و شرقی استرالیا دارای الماس می‌‌باشد.