Éssòlid a temperatura ambient. És l'element químic base en lavidaorgànica tal com es coneix, i és, per tant, la base de laquímica orgànica. Totes les formes de vida que es coneixen estan formades demolècules compostes principalment per carboni,hidrogen,nitrogen ioxigen (a més de multitud d'altres elements en menor proporció). Aquest element no metàl·lic té la interessant propietat de ser capaç d'enllaçar-se amb ell mateix i amb una àmplia varietat d'altres elements. Es coneixen prop de 10 milions de compostos orgànics formats per estructures de carboni.[12] Dins del coshumà, és el segon element més abundant per massa (aproximadament un 18,5% de la total) després de l'oxigen.[13]
El carboni és un element notable per diverses raons:
Les seves diferents estructures inclouen una de les substàncies més toves conegudes (elgrafit) i una de les més dures (eldiamant) (vegeu: escala deDuresa Mohs).
Té una gran afinitat perenllaçar-se químicament amb altres àtoms petits, i la seva petita mida li permet la formació d'enllaços múltiples. Aquestes propietats permeten al carboni formar prop de deu milions decompostos orgànics diferents. Aquests compostos de carboni són la base de tota lavida a laTerra.
Amb hidrogen i oxigen, forma una gran varietat de compostos, com per exemple elsàcids grassos, essencials per la vida, i elsèsters que donen el seu gust característic a lesfruites.
El grafit és combinat ambargiles per a formar les mines delsllapis.
Eldiamant és usat com apedra preciosa amb finalitats decoratives atesa la seva brillantor, i també s'usa per a fabricarbroques, gràcies a la seva duresa.
El carboni (l'origenllatí del mot prové delcarbó,carbo -ōnis), fou descobert a laprehistòria, i ja era conegut a l'antiguitat en la que es formava mitjançant lacombustió incompleta de materials orgànics, és a dir, partir de la crema de material orgànic (llenya) amb manca d'oxigen. L'objectiu de l'ofici decarboner era l'obtenció de carbó.
Elsdiamants, també coneguts des de fa molt temps, són considerats lapedra preciosa per excel·lència, atesa la seva gran duresa i lluentor.Newton, el 1704, va intuir que els diamants podien ser combustibles, però no es va aconseguir cremar un diamant fins a l'any 1772, any en quèLavoisier va demostrar que en la reacció de combustió es produïa CO₂. Tennant va demostrar que el diamant era carboni pur l'any 1797.
Els primers compostos de carboni es van identificar en la matèria viva a principis del segle xix, i per aquest motiu, a l'estudi dels compostos de carboni se'l va denominarquímica orgànica.
L'isòtop més comú del carboni és el12C; el 1961 d'aquest isòtop es va escollir per a reemplaçar l'isòtop oxigen-16 com a base dels pesos atòmics, i se li va assignar un pes atòmic de 12.
El carboni no es va crear durant elbig-bang perquè hauria necessitat latriple col·lisió departícules alfa (nuclis atòmics d'heli) i l'Univers es va expandir i refredar massa ràpid perquè la probabilitat que això esdevingués fos significativa. On si ocorre aquest procés és a l'interior de lesestrelles (en la fase «RH (Branca horitzontal)») on aquest element és abundant i a més es troba en altres cossos celestes com els estels i en les atmosferes dels planetes. Algunsmeteorits contenen diamants microscòpics que es van formar quan elsistema solar era encara undisc protoplanetari.
La formació del nucli atòmic del carboni requereix una triple col·lisió quasi-simultània departícules alfa (nuclis d'heli) dins del nucli d'unaestrella gegant osupergegant. Això es produeix en condicions de temperatura i concentració d'heli que eren impedides per l'expansió i el refredament ràpids de l'Univers primitiu i, per tant, no es crearen quantitats significatives de carboni durant elbig-bang. En canvi, l'interior de les estrelles de labranca horitzontal transformen tres nuclis d'heli en carboni mitjançant elprocés triple-alfa. Per tal d'estar disponible per la formació de la vida, cal que el carboni s'estengui a l'espai en forma de pols, en explosions desupernova, com a part del material que més endavant forma sistemes estel·lars de segona i tercera generació, amb planetes formats a partir d'aquesta pols. Elsistema solar és un d'aquests sistemes detercera generació.
Diagrama del cicle del carboni. Els números negres indiquen quant de carboni està emmagatzemat en diversos reservoris, en milers de milions de tones (GtC significa «gigatones de carboni»; les quantitats daten d'aproximadament el 2004). Els números liles indiquen quant de carboni canvia de reservori d'un any a l'altre. Els sediments, tal com estan definits en aquest diagrama, no inclouen els ~ 70 milions de GtC de roca carbonada i querogen.
En condicions terrestres, la transformació d'un element en un altre és molt rara. Per consegüent, la quantitat de carboni a laTerra és efectivament constant. Així doncs, els processos que utilitzen carboni l'han d'obtenir d'algun lloc i disposar-ne en algun altre lloc. Les rutes que segueix el carboni al medi ambient formen elcicle del carboni. Per exemple, les plantes agafendiòxid de carboni del seu medi i l'utilitzen per crear biomassa, com en larespiració de carboni o elcicle de Calvin, un procés defixació del carboni. Una part d'aquesta biomassa és menjada pelsanimals, que exhalen carboni en forma dediòxid de carboni. El cicle del carboni és considerablement més complicat que aquest curt circuit; per exemple, una part de diòxid de carboni es dissol als oceans; la matèria morta animal o vegetal pot esdevenirpetroli ocarbó, que pot cremar, alliberant carboni, si els bacteris no el consumeixen.[17]
En la seva formaamorfa,[18] el carboni és essencialment grafit, però sense formar cap macroestructura cristal·lina. Està formant un polsim, que és el component principal de substàncies com és elcarbó i elsutge.
A pressions normals, el carbni pren la forma degrafit (sistema hexagonal), un mineral molt tou, en el qual cada àtom està enllaçat a tres més formant un pla de cel·leshexagonals (com en lesbresques en unrusc d'abelles). Conté tres electrons en orbitals bidimensionals anomenats sp², i un electró en l'orbital s. En el grafit, capes planes d'àtoms de carboni, s'apilen les unes sobre les altres, com en un llibre. Els enllaços que formen els àtoms de carboni també els trobem en elshidrocarburs aromàtics.
Les dues formes conegudes del grafit, l'alfa (hexagonal) i la beta (romboïdal) tenen les mateixes propietats físiques, però amb una estructura cristal·lina diferent. Els grafits que es formen a la natura contenen fins a un 30% de la forma beta, mentre que els grafits formats sintèticament només contenen grafit en la forma alfa. És possible convertir el grafit de la forma alfa a la forma beta, a través de processos mecànics, però tot el grafit en forma beta es transforma una altra vegada en grafit alfa quan és escalfat per sobre dels 1.000 °C
Atesa la deslocalització dels electrons en elnúvol pi, en els cristalls de grafit, aquests condueixen l'electricitat. El material és tou i les capes, sovint separades per altres àtoms, es mantenen unides gràcies a laforça de Van der Waals, de manera que rellisquen amb certa facilitat les unes sobre les altres.
Disposició geomètrica dels orbitals hibrids sp³ en el diamant. Els àtoms se situen en els vèrtexs d'un tetraedre regular.
A pressions molt altes, el carboni forma un altre al·lòtrop anomenatdiamant, en el qual cada àtom està enllaçat a quatre més. Formacristalls dediamant (sistema cúbic), elmineral més dur conegut. El diamant té la mateixa estructura cristal·lina que elsilici i elgermani, i gràcies a la força de l'enllaç carboni-carboni, és la substància més resistent a les ratllades, juntament amb elnitrur de bor (BN) un compost isoelectrònic del diamant, i que comparteix la mateixa estructura cristal·lina que aquest. Conté quatreelectrons en elsorbitals tridimensionals anomenats sp³. Amb el temps, el diamant tendeix a convertir-se en grafit, però a temperatura ambient la conversió és tan lenta que és indetectable. En les condicions adequades, el carboni pot cristal·litzar com alonsdaleïta, una forma similar al diamant però hexagonal.
Àtoms de carboni en el ful·lerè (C60) adoptant la forma d'una pilota de futbol.
Pot formar compostos de la família delsful·lerens (en el ful·lerè més simple, 60àtoms de carboni formen una capa grafítica, organitzada tridimensionalment, de manera similar a una pilota de futbol), inanotubs de carboni (on s'organitza també tridimensionalment en forma de tub).
El ful·lerens tenen una estructura semblant a la del grafit, però en lloc d'usar únicament l'empaquetament hexagonal, també contenenpentàgons (o possiblementheptàgons) d'àtoms de carboni. Aquests empaquetaments dobleguen les capes planes d'àtoms enesferes,el·lipses ocilindres. Les propietats dels ful·lerens no han estat encara completament analitzades. El nom dels ful·lerens prové del fet que aquestes agrupacions d'àtoms de carboni s'assemblen a lescúpules geodèsiques construïdes perBuckminster Fuller. Pel mateix motiu, els ful·lerens també són anomenats en anglèsbuckyboles ibuckytubs.
Elcarbó vitri ésisotròpic, i és més fort que elvidre. A diferència del grafit normal, les capes grafítiques no s'apilen les unes sobre les altres, sinó que estan organitzades en totes direccions.
Una altra substància és lafibra de carboni, semblant al carbó vitri i obtinguda estirant fibres orgàniques que són carbonitzades. D'aquesta manera s'alineen els plans de carboni en la direcció de la fibra. El resultat són fibres amb una resistència específica superior a l'acer.
El sistema d'al·lòtrops de carboni abasta una important gamma d'extrems:
El grafit és un dels materials més suaus coneguts.
El diamant és un excel·lentaïllant elèctric,[22] i té el major camp elèctric desglossament de qualsevol material conegut.
Algunes formes de grafit s'utilitzen com aaïllament tèrmic (per exemple, tallafocs i escuts de calor), però algunes formes, com ara el gràfit pirolític són bons conductors tèrmics.
El carboni és l'àtom clau en l'estructura de lesbiomolècules o molècules que formen lamatèria viva, gràcies a la seva capacitat de formar llargues cadenes i anells, i de formar enllaçoscovalents amb nombrososelements, la qual cosa origina una extraordinària varietat de molècules amb propietats fisicoquimicobiològiques diferents.
Quan s'uneix amboxigen, forma eldiòxid de carboni (CO₂), és el compost que expel·lim els animals en respirar, i és absolutament vital per al creixement de les plantes. També pot formar en condicions de manca d'oxigen elmonòxid de carboni (CO), on a diferència del que és normal, el carboni actua ambestat d'oxidació 2.
A la natura, sovint es troba sense combinar en els diferents tipus decarbó (amb graus variables d'impuresa). El carbó va ser usat com acombustible fòssil, permetent larevolució industrial. Als països més rics, el carbó ja ha estat reemplaçat pelshidrocarburs.
Quan s'uneix ambhidrogen, forma diversos compostos anomenatshidrocarburs, essencials per a la indústria en forma decombustibles fòssils. Els hidrocarburs més simples són;
Metà; CH₄, l'hidrocarbur més simple, un carboni i quatre hidrògens
Elgas natural, elpetroli, lagasolina i elquitrà són barreges d'hidrocarburs de diferents longituds, i amb diferents propietats, que poden a més incloure altres substàncies.
Quan es combina amboxigen ihidrogen, forma molts grups de compostos, inclosos elsàcids grassos, essencials per a la vida, i elsèsters, que donen gust a moltesfruites.
Els compostos de carboni tenen una gran varietat d'efectes tòxics. Elmonòxid de carboni (CO), present en els gasos d'escapament dels motors de combustió, i elcianur (CN-), que a vegades contamina les mines, són extremament tòxics per alsmamífers. Molts altres compostos no són tòxics, sinó essencials per la vida, però presenten altres perills. Gasos orgànics com l'etilè (CH₂=CH₂), l'acetilè (HC≡CH), i elmetà (CH₄) són explosius i inflamables si se'ls mescla amb aire. El CO₂ en grans concentracions quan reemplaça tot l'oxígen de l'aire ambient és letal per animals i humans.[24] L'excedent d'emissions de CO₂, ungas amb efecte d'hivernacle, per la combustió excessiva de petroli, gas natural i carbó des de l'inici de larevolució industrial és un dels factors majors en elcanvi climàtic que s'assaja de mitigar per mesures decaptura i emmagatzematge de diòxid de carboni.[25]
El carboni és essencial per tots els éssers vius, i sense ell no podria existir la vida tal com es coneix (vegeubioquímica alternativa). A part del menjar i la fusta, l'ús econòmic principal del carboni és en forma d'hidrocarburs, especialment elcombustible fòssilgasmetà icru (petroli). El cru és utilitzat per laindústria petroquímica per produir, entre d'altres,benzina iquerosè, mitjançant un procés dedestil·lació a lesrefineries. Lacel·lulosa és un polímer portador de carboni natural, produït per les plantes en forma decotó,lli icànem. La cel·lulosa es fa servir principalment per mantenir l'estructura en les plantes. Alguns polímers de carboni amb valor comercial d'origen animal inclouen lallana, elcaixmir i laseda. Elsplàstics s'elaboren a partir de polímers sintètics de carboni, incloent-hi sovint àtoms d'oxigen i denitrogen a intervals regulars al llarg de la cadena principal del polímer. La matèria primera de gran part d'aquests substàncies sintètiques prové del cru, tot i que es desenvolupen tecnologies per fer servir el carboni de l'excedent CO₂ de l'atmosfera.[26]
Elcarbó vegetal és utilitzat com a material de dibuix en l'art, per cuinar aliments a lagraella, i en molts altres usos com ara la fosa de l'acer. La fusta, el carbó i el petroli són utilitzats com acombustible per produir energia i calor. Elsdiamants de qualitat són utilitzats en la joieria, i els diamants industrials serveixen per perforar, tallar i polir eines per tractar metalls i pedra. Els plàstics estan fets entre d'altres d'hidrocarburs fòssils, i lafibra de carboni, elaborada perpiròlisi de fibres depolièster sintètic, serveix per reforçar plàstics per formarmaterials compòsits avançats i de baix pes. Lafibra de carboni es forma per piròlisi de filaments extrudits i estirats depoliacrilonitril (PAN) i altres substàncies orgàniques. L'estructura cristal·logràfica i les propietats mecàniques de la fibra depenen del tipus de material inicial i del processament posterior. Les fibres de carboni fetes a partir de PAN tenen una estructura que sembla filaments estrets de grafit, però es pot reordenar l'estructura en un mantell continu mitjançant processament tèrmic. El resultat són fibres amb unaresistència específica a la tracció més alta que la de l'acer.
Les mines de llapis pels llapis recarregables estan fetes de grafit
↑ Lide, D. R.CRC Handbook of Chemistry and Physics (en anglès). 86a edició. CRC Press, 2005.ISBN 0-8493-0486-5.
↑Haaland, D «Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon». Carbon, 14, 6, 1976, pàg. 357.DOI:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
↑Savvatimskiy, A «Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)». Carbon, 43, 6, 2005, pàg. 1115.DOI:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
↑P. Falkowski, R. J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell, D. Canfield, J. Elser, N. Gruber, K. Hibbard, P. Högberg, S. Linder, F. T. Mackenzie, B. Moore III, T. Pedersen, Y. Rosenthal, S. Seitzinger, V. Smetacek, W. Steffen. «The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System». Science, 290, 5490, 2000, pàg. 291-296.DOI:10.1126/science.290.5490.291.PMID:11030643.
↑Deprez, N.; McLachan, D. S. «The analysis of the electrical conductivity of graphite conductivity of graphite powders during compaction». Journal of Physics D: Applied Physics. Institute of Physics, 21, 1, 1988, pàg. 101-107.Bibcode:1988JPhD...21..101D.DOI:10.1088/0022-3727/21/1/015.
↑Collins, A. T. «The Optical and Electronic Properties of Semiconducting Diamond». Philosophical Transactions of the Royal Society A, 342, 1664, 1993, pàg. 233-244.Bibcode:1993RSPTA.342..233C.DOI:10.1098/rsta.1993.0017.
