کربن

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish
کربن، 6C
Ahur-Carbon.jpg
گرافیت (بالا چپ) و الماس (بالا راست)، دو دگرشکل کربن به همراه ساختار فضایی آنها
کربن
دگرشکلیگرافیت، الماس، دگرشکل‌های کربن
ظاهر
  • گرافیت: سیاه
  • الماس: شفاف
جرم اتمی استاندارد Ar, استاندارد(C)[۱۲٫۰۰۹۶, ۱۲٫۰۱۱۶]
قراردادی: ۱۲٫۰۱۱
کربن در جدول تناوبی
Element 1: هیدروژن (H), Other non-metal
Element 2: هلیوم (He), Noble gas
Element 3: لیتیم (Li), Alkali metal
Element 4: برلیم (Be), Alkaline earth metal
Element 5: بور (B), Metalloid
Element 6: کربن (C), Other non-metal
Element 7: نیتروژن (N), Halogen
Element 8: اکسیژن (O), Halogen
Element 9: فلوئور (F), Halogen
Element 10: نئون (Ne), Noble gas
Element 11: سدیم (Na), Alkali metal
Element 12: منیزیم (Mg), Alkaline earth metal
Element 13: آلومینیم (Al), Other metal
Element 14: سیلسیم (Si), Metalloid
Element 15: فسفر (P), Other non-metal
Element 16: گوگرد (S), Other non-metal
Element 17: کلر (Cl), Halogen
Element 18: آرگون (Ar), Noble gas
Element 19: پتاسیم (K), Alkali metal
Element 20: کلسیم (Ca), Alkaline earth metal
Element 21: اسکاندیم (Sc), Transition metal
Element 22: تیتانیم (Ti), Transition metal
Element 23: وانادیم (V), Transition metal
Element 24: کروم (Cr), Transition metal
Element 25: منگنز (Mn), Transition metal
Element 26: آهن (Fe), Transition metal
Element 27: کبالت (Co), Transition metal
Element 28: نیکل (Ni), Transition metal
Element 29: مس (Cu), Transition metal
Element 30: روی (Zn), Other metal
Element 31: گالیم (Ga), Other metal
Element 32: ژرمانیم (Ge), Metalloid
Element 33: آرسنیک (As), Metalloid
Element 34: سلنیم (Se), Other non-metal
Element 35: برم (Br), Halogen
Element 36: کریپتون (Kr), Noble gas
Element 37: روبیدیم (Rb), Alkali metal
Element 38: استرانسیم (Sr), Alkaline earth metal
Element 39: ایتریم (Y), Transition metal
Element 40: زیرکونیم (Zr), Transition metal
Element 41: نیوبیم (Nb), Transition metal
Element 42: مولیبدن (Mo), Transition metal
Element 43: تکنسیم (Tc), Transition metal
Element 44: روتنیم (Ru), Transition metal
Element 45: رودیم (Rh), Transition metal
Element 46: پالادیم (Pd), Transition metal
Element 47: نقره (Ag), Transition metal
Element 48: کادمیم (Cd), Other metal
Element 49: ایندیم (In), Other metal
Element 50: قلع (Sn), Other metal
Element 51: آنتیموان (Sb), Metalloid
Element 52: تلوریم (Te), Metalloid
Element 53: ید (I), Halogen
Element 54: زنون (Xe), Noble gas
Element 55: سزیم (Cs), Alkali metal
Element 56: باریم (Ba), Alkaline earth metal
Element 57: لانتان (La), Lanthanoid
Element 58: سریم (Ce), Lanthanoid
Element 59: پرازئودیمیم (Pr), Lanthanoid
Element 60: نئودیمیم (Nd), Lanthanoid
Element 61: پرومتیم (Pm), Lanthanoid
Element 62: ساماریم (Sm), Lanthanoid
Element 63: اروپیم (Eu), Lanthanoid
Element 64: گادولینیم (Gd), Lanthanoid
Element 65: تربیم (Tb), Lanthanoid
Element 66: دیسپروزیم (Dy), Lanthanoid
Element 67: هولمیم (Ho), Lanthanoid
Element 68: اربیم (Er), Lanthanoid
Element 69: تولیم (Tm), Lanthanoid
Element 70: ایتربیم (Yb), Lanthanoid
Element 71: لوتتیم (Lu), Lanthanoid
Element 72: هافنیم (Hf), Transition metal
Element 73: تانتال (Ta), Transition metal
Element 74: تنگستن (W), Transition metal
Element 75: رنیم (Re), Transition metal
Element 76: اوسمیم (Os), Transition metal
Element 77: ایریدیم (Ir), Transition metal
Element 78: پلاتین (Pt), Transition metal
Element 79: طلا (Au), Transition metal
Element 80: جیوه (Hg), Other metal
Element 81: تالیم (Tl), Other metal
Element 82: سرب (Pb), Other metal
Element 83: بیسموت (Bi), Other metal
Element 84: پولونیم (Po), Other metal
Element 85: آستاتین (At), Metalloid
Element 86: رادون (Rn), Noble gas
Element 87: فرانسیم (Fr), Alkali metal
Element 88: رادیم (Ra), Alkaline earth metal
Element 89: آکتینیم (Ac), Actinoid
Element 90: توریم (Th), Actinoid
Element 91: پروتاکتینیم (Pa), Actinoid
Element 92: اورانیم (U), Actinoid
Element 93: نپتونیم (Np), Actinoid
Element 94: پلوتونیم (Pu), Actinoid
Element 95: امریسیم (Am), Actinoid
Element 96: کوریم (Cm), Actinoid
Element 97: برکلیم (Bk), Actinoid
Element 98: کالیفرنیم (Cf), Actinoid
Element 99: اینشتینیم (Es), Actinoid
Element 100: فرمیم (Fm), Actinoid
Element 101: مندلیفیم (Md), Actinoid
Element 102: نوبلیم (No), Actinoid
Element 103: لارنسیم (Lr), Actinoid
Element 104: رادرفوردیم (Rf), Transition metal
Element 105: دوبنیم (Db), Transition metal
Element 106: سیبورگیم (Sg), Transition metal
Element 107: بوهریم (Bh), Transition metal
Element 108: هاسیم (Hs), Transition metal
Element 109: مایتنریم (Mt)
Element 110: دارمشتادیم (Ds)
Element 111: رونتگنیم (Rg)
Element 112: کوپرنیسیم (Cn), Other metal
Element 113: نیهونیم (Nh)
Element 114: فلروویم (Fl)
Element 115: مسکوویم (Mc)
Element 116: لیورموریم (Lv)
Element 117: تنسین (Ts)
Element 118: اوگانسون (Og)


C

سیلیسیم
بورکربننیتروژن
عدد اتمی (Z)6
گروه۱۴
دورهدوره ۲
بلوکبلوک-p
دسته نافلز, به عنوان یک شبه‌فلز در نظر گرفته می‌شود.
آرایش الکترونی[2s2 2p2] He
لایه الکترونی۲٬۴
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STPجامد
تصعید۳۹۱۵ K ​(۳۶۴۲ °C, ​۶۵۸۸ °F)
چگالی (near r.t.)آمورف: ۱٫۸–۲٫۱ g/cm3[۱]
گرافیت: ۲٫۲۶۷ g/cm3
الماس: ۳٫۵۱۵ g/cm3
نقطه سه‌گانه۴۶۰۰ K, ​۱۰٬۸۰۰ kPa[۲][۳]
آنتالپی ذوبگرافیت: ۱۱۷ ژول بر مول
ظرفیت حرارتی مولیگرافیت: ۸٫۵۱۷ J/(mol·K)
الماس: ۶٫۱۵۵ J/(mol·K)
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش۴−, ۳−, ۲−, ۱−, ۰, ۱+,[۴] +۲, +۳,[۵] ۴+[۶] (یک اکسید اسیدی متوسط)
الکترونگاتیویمقیاس پائولینگ: ۲٫۵۵
انرژی یونش
  • 1st: ۱۰۸۶٫۵ kJ/mol
  • 2nd: ۲۳۵۲٫۶ kJ/mol
  • 3rd: ۴۶۲۰٫۵ kJ/mol
شعاع کووالانسیsp3: 77 pm
sp2: 73 pm
sp: 69 پیکومتر
شعاع واندروالسی۱۷۰ pm
Color lines in a spectral range
خطوط طیف نوری کربن
دیگر ویژگی‌ها
ساختار بلوریگرافیت: ​شش‌گوشه
Simple hexagonal ساختار کریستالی برای گرافیت: کربن

(سیاه)
ساختار بلوریالماس: ​
Diamond cubic ساختار کریستالی برای الماس: کربن

(شفاف)
سرعت صوت الماس: ۱۸٬۳۵۰ m/s (at 20 °C)
انبساط حرارتیالماس: ۰٫۸ µm/(m·K) (at 25 °C)[۷]
رسانندگی گرماییگرافیت: ۱۱۹–۱۶۵ W/(m·K)
الماس: ۹۰۰–۲۳۰۰ W/(m·K)
مقاومت ویژه و رسانندگی الکتریکیگرافیت: ۷٫۸۳۷ µΩ·m[۸]
مغناطیسدیامغناطیس[۹]
پذیرفتاری مغناطیسی−۵٫۹·10−6 (graph.) cm3/mol[۱۰]
مدول یانگالماس: ۱۰۵۰ GPa[۷]
مدول برشیالماس: ۴۷۸ GPa[۷]
مدول حجمیالماس: ۴۴۲ GPa[۷]
نسبت پواسونالماس: ۰٫۱[۷]
سختی موسگرافیت: ۱–۲
الماس: ۱۰
شماره ثبت سی‌ای‌اس
  • گرافیت: ۷۷۸۲-۴۲-۵
  • الماس: ۷۷۸۲-۴۰-۳
تاریخچه
کشفمصر باستان و سومر[۱۱] (۳۷۵۰ پیش از میلاد)
نام بردن به عنوان یک عنصرآنتوان لاووازیه[۱۲] (۱۷۸۹)
ایزوتوپ‌های اصلی کربن
ایزوتوپ وفور طبیعی نیمه‌عمر (t۱/۲) واپاشی هسته‌ای محصول واپاشی
11C سنتز ۲۰ دقیقه ۰٫۹۶ 11B
12C ۹۸٫۹٪ ضریب ایزوتوپ پایدار با ۶ نوترون
13C ۱٫۱٪ پایدار با ۷ نوترون
14C ناچیز ۵۷۳۰ سال −β ۰٫۱۵۶ 14N
رده رده: کربن
| منابع اطلاعاتی عناصر شیمیایی

کربن عنصری شیمیایی با نماد C و عدد اتمی ۶ است. واژه کربن برگرفته از واژه‌ای لاتین به‌نام کربو[a] به‌معنای زغال‌سنگ است. این عنصر، که در ردهٔ عناصر غیرفلزی جای می‌گیرد، چهارظرفیتی است، به‌این معنی که چهار الکترون در دسترس برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی دارد. کربن 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 دوران باستان تا سال ۱۶۹۹ میلادی، تنها سیزده عنصر توسط بشر شناسایی شده بودند که کربن یکی از آن‌ها است.

از لحاظ فراوانی، کربن پانزدهمین عنصر در پوسته زمین و پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن، چهارمین عنصر در کیهان است. فراوانی کربن، گوناگونی منحصر به فرد ترکیبات آلی ساخته شده از آن و توانایی تشکیل بسپار در دماهای متداول قابل دسترسی بر روی زمین، موجب می‌شود که این عنصر به‌عنوان عنصر مشترک در تمامی انواع شکل‌های شناخته شده از زندگی وجود داشته باشد. این عنصر به لحاظ جرم، پس از اکسیژن، دومین عنصر موجود در بدن انسان است و حدود ۱۸٫۵ درصد از جرم بدن را تشکیل می‌دهد.

اتم‌های کربن می‌توانند به صورت‌های مختلفی با یک‌دیگر پیوند برقرار نمایند که این موجب می‌شود تا دگرشکل‌های متنوعی از کربن تشکیل شود. شناخته شده‌ترین دگرشکل‌های کربنی، گرافیت، الماس و فولرن باکمینستر هستند. خواص فیزیکی کربن در هر کدام از دگرشکل‌های کربنی متفاوت است. به‌عنوان مثال گرافیت دارای ظاهری کدر و سیاه‌رنگ است، در حالی‌که الماس کاملاً شفاف است. گرافیت به قدری نرم است که می‌تواند برروی کاغذ اثری از خود برجا بگذارد و خود واژه گرافیت نیز از واژه‌ای یونانی به‌معنای نوشتن[b] برگرفته شده‌است. درحالی‌که الماس، سخت‌ترین ترکیب طبیعی یافت شده بر روی زمین است. گرافیت یک هدایت کننده خوب جریان الکتریکی است، درحالی که الماس یک رسانای ضعیف جریان الکتریسیته است. در فشار معمولی، الماس، نانولوله‌های کربنی و گرافین، دارای بالاترین رسانندگی گرمایی در بین تمام ترکیبات شناخته شده هستند. آنها در مقابل تغییرات شیمیایی مقاوم هستند و برای این که با اکسیژن وارد واکنش شوند یا به عبارت دیگر برای این که سوزانده شوند، به دمای بالا نیاز دارند.

متداول‌ترین حالت اکسایشی کربن در ترکیبات معدنی برابر با ۴+ است، در حالی‌که عدد اکسایش ۲+ در موردی مانند کربن مونوکسید و کمپلکس‌های کربونیلی فلزات واسطه قابل مشاهده است. سنگ آهک، دولومیت و کربن دی‌اکسید از بزرگ‌ترین منابع کربن معدنی هستند. این در حالی است که مقادیر قابل توجهی از کربن به‌صورت ذخیره شده در منابع آلی مانند زغال‌سنگ، پوده، نفت خام و آذریخ وجود دارد. کربن طیف گسترده‌ای از ترکیبات را شامل می‌شود، به‌طوری که دامنه آن گستره‌تر از هر عنصر دیگری است. تا به‌امروز بیش از ده میلیون ترکیب آلی ثبت شده‌است و مسیر شناسایی ترکیبات جدیدتر همچنان باز است، چرا که این تعداد ترکیب کشف شده تنها بخشی از ترکیبات مجموعه ترکیبات کربنی فرضی ممکن و پایدار در شرایط استاندارد هستند و به همین علت از کربن به‌عنوان پادشاه عناصر[c] یاد شود.

تاریخچه[ویرایش]

لاووازیه، در سال ۱۷۸۹ از کربن به‌عنوان یک عنصر نام برد.
شیله، نشان داد که گرافیت و زغال شکل‌های مشابه یکدیگر دارند.

ریشهٔ نام کربن از واژهٔ لاتین کربو به معنای زغال‌سنگ یا زغال چوب گرفته شده‌است.[۱۳] همچنین در زبان فرانسوی به صورت چاربون در آلمانی، هلندی و دانمارکی نام کربن به ترتیب Kohlenstoff ،koolstof و kulstof است که به معنای واقعی کلمه به معنی ماده زغال‌سنگ هستند. کشف کربن به دوران پیشاتاریخ بر می‌گردد و استفاده از آن به صورت دوده و زغال چوب در زندگی نخستین تمدن‌های بشری مشهور بود. الماس شکل دیگری از کربن احتمالاً در اوایل سال ۲۵۰۰ پیش از میلاد در چین شناخته شده بود و به صورت شیمیایی امروزی، در دوران روم باستان از زغال چوب ساخته می‌شد. همچنین از مخلوط آن با خاک رس در اهرام به منظور پوششی در برابر ورود هوا استفاده می‌شده‌است.[۱۴][۱۵]

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.[۱۶] 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 کربن دی‌اکسید در هر گرم آزاد می‌کنند.[۱۷] 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 کربن دی‌اکسید می‌شود، او نام اسید هوایی[d] را روی آن گذاشت.[۱۸] در سال ۱۷۸۶، دانشمندان فرانسوی، کلود لویی برتوله، گاسپار مونژ و سی. اِی. واندرموند[e] با اکسید کردن گرافیت به همان روشی که لاووازیه برای الماس انجام داده بود تأیید کردند که گرافیت بیشتر کربن است.[۱۹] 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 [f] را پیشنهاد دادند که از واژه لاتین کاربونوم[g] گرفته شده بود.

در سال ۱۷۸۹ لاووازیه در کتاب‌های درسی از کربن به‌عنوان یک عنصر نام برد.[۲۰] در سال ۱۹۸۵ شیمی‌دان‌های آمریکایی رابرت کرل و ریچارد اسمالی و شیمی‌دان بریتانیایی هارولد کروتو موفق به کشف فولرن، یکی از دگرشکل‌های مصنوعی عنصر کربن شدند[۲۱] که خود انواع گوناگون و متعددی شامل اشکال نانوساختار مانند باکی‌بال‌ها و نانولوله‌ها است.[۲۲] کاشفان این شکل جدید از کربن در سال ۱۹۹۶ جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.[۲۳] از طرف دیگر علاقه جدید به اشکال جدید منجر به کشف دگرشکل‌های بیشتر از جمله کربن شیشه‌ای، و کربن آمورف شد.[۲۴]

ویژگی[ویرایش]

نمودار فازی نظری و پیش‌بینی شده برای کربن

گرافیت که یکی از دگرشکل‌های کربن محسوب می‌شود، یکی از نرم‌ترین مواد شناخته شده و الماس که دگرشکل دیگر کربن است، سخت‌ترین ترکیب طبیعی شناخته شده بر روی زمین است. کربن می‌تواند به آسانی با اتم‌های کوچک دیگر از جمله اتم‌های کربن دیگر پیوند برقرار کند. اتم کربن قادر است که پیوندهای کووالانسی پایدار و متنوعی با اتم‌های مناسب چندظرفیتی دیگر شکل دهد. کربن با داشتن بیش از ده میلیون ترکیب شناخته شده، در بین تمامی عناصر جدول تناوبی، دارای بیشترین میزان ترکیبات شیمیایی است.[۲۵] کربن دارای بالاترین دمای تصعید در میان تمام عناصر است. در فشار معمولی اتمسفر، فاقد نقطه ذوب است، چراکه نقطه سه‌گانه آن در فشار ۰٫۲±۱۰٫۸ مگاپاسکال و دمای ۳۰۰±۴۶۰۰ درجه کلوین (۳۰۰±۴۳۳۰ درجه سانتی‌گراد؛ ۵۴۰±۷۸۲۰ درجه فارنهایت) به‌وقوع می‌پیوندد[۲][۳] و درنتیجه، کربن در دمایی در حدود ۳۹۰۰ درجه کلوین (۳۶۳۰ درجه سانتی‌گراد؛ ۶۵۶۰ درجه فارنهایت) تصعید می‌شود.[۲۶][۲۷]

در شرایط استاندارد، گرافیت با این‌که دارای پایداری ترمودینامیکی بالاتری در مقایسه با الماس است، اما نسبت به آن دارای واکنش‌پذیری بالاتری دارد، چراکه دارای پیوندهای پای نامستقر است و این موجب می‌شود راحت‌تر وارد واکنش شیمیایی شود. به‌عنوان مثال، در شرایط استاندارد، گرافیت می‌تواند توسط نیتریک اسید غلیظ و داغ اکسید شود و منجر به تولید ملیتیک اسید شود. در طی چنین تغییری اگرچه واحدهای شش‌گوشه موجود در ساختار گرافیت حفظ می‌شود، با این‌حال، ساختار و نظم کلی گرافیت شکسته می‌شود.[۲۸] کربن در حضور یک قوس کربنی تصعید می‌شود، جایی که دمای آن به حدود ۵۸۰۰ درجه کلوین (۵۵۳۰ درجه سانتی‌گراد؛ ۹۹۸۰ درجه فارنهایت) می‌رسد. صرف نظر از نوع، تمامی دگرشکل‌های کربنی در دماهایی حتی بالاتر از دمای ذوب فلزاتی مانند تنگستن و رنیوم، جامد باقی می‌ماند. اگرچه کربن از لحاظ ترمودینامیکی تمایل به اکسید شدن دارد، با این حال در مقابل اکسایش مقاومت می‌کند و مقاومت آن در برابر اکسایش بسیار موثرتر از مقاومت فلزاتی مانند آهن و مس است.

کربن با داشتن عدد اتمی ۶، به‌عنوان عنصر ششم محسوب می‌شود و دارای آرایش الکترونی ۱s۲۲s۲۲p۲ است که چهار الکترون موجود در اوربیتال‌های 2s و 2p به‌عنوان الکترون‌های ظرفیت آن به‌حساب می‌آیند، الکترون‌هایی که می‌توانند موجب تشکیل پیوند و ساخته شدن پیوندهای بین اتمی و درنتیجه ترکیبات مولکولی جدید شوند. چهار انرژی یونیزاسیون ابتدایی کربن عبارت‌اند از: ۱۰۸۰٫۵، ۲۳۵۲٫۶، ۴۶۲۰٫۵ و ۶۲۲۲٫۷ کیلوژول برمول که این مقادیر انرژی یونیزاسیون بسیار بیش‌تر از سایر عناصر موجود در گروه چهاردهم جدول تناوبی (عناصر زیرین در گروه شامل کربن) هستند. میزان الکترونگاتیویته کربن (در مقیاس پائولینگ) برابر با ۲٫۵ است که به‌طور قابل توجهی از مقدار الکترونگاتیویته سایر عناصر هم‌گروه با کربن (۱٫۸-۱٫۹) در گروه چهاردهم جدول تناوبی بیشتر و تقریباً مشابه با عناصر غیرفلزی مجاور با کربن و فلزات واسطه ردیف دوم و سوم است. شعاع پیوند کووالانسی کربنی معمولاً برابر با ۷۷٫۲ پیکومتر برای پیوند کربن-کربن یگانه، ۶۶٫۷ پیکومتر برای پیوند کربن-کربن دوگانه، ۶۰٫۳ پیکومتر برای پیوند کربن-کربن سه‌گانه است، با این‌حال این مقادیر مطلق نیستند و بسته به نوع عدد کوئوردیناسیون و نوع اتصالات دو اتم کربن درگیر در پیوند مورد نظر، متفاوت هستند. به‌طور عمومی، شعاع کووالانسی، با کاهش عدد کوئوردیناسیون و افزایش مرتبه پیوند، کاهش می‌یابد.[۲۹]

ترکیبات کربنی تشکیل دهنده پایه تمامی شکل‌های شناخته شده حیات بر روی زمین هستند[۳۰] و چرخه کربن-نیتروژن، با کمک گرفتن از پرتوهای خورشیدی و سایر ستارگان، تأمین کننده انرژی لازم برای مصرف موجودات است. اگرچه کربن دارای تعداد بسیار زیاد و متنوع از ترکیبات است، اغلب این ترکیبات در دمای معمولی واکنش ناپذیر هستند. در دما و فشار استاندارد، کربن در مقابل تمامی تغییرات شیمیایی مقاومت می‌کند با این‌حال اکسیدکننده‌های قوی می‌توانند موجب واکنش پذیری آن شوند. کربن در مقابل سولفوریک اسید، هیدروکلریک اسید، کلر، و تمامی قلیاها، واکنش ناپذیر است.[۳۱] در دماهای بالاتر از دمای استاندارد، کربن با اکسیژن وارد واکنش می‌شود و منجر به تولید اکسوکربن‌ها می‌شود و در این شرایط چنانچه در مجاورت اکسیدهای فلزی قرار بگرید، با گرفتن اکسیژن آن‌ها، موجب تبدیل آن‌ها به اکسید فلز به شکل عنصر فلزی می‌شود.[۳۲] واکنش انجام شده طی واکنش کربن با اکسید فلزی مانند آهن اکسید، یک واکنش گرماده است و از آن در تولید آهن در صنعت فولاد به‌منظور ذوب کردن آهن و کنترل میزان کربن موجود در فولاد استفاده می‌شود.

Fe۳O۴ + ۴C(s) → ۳Fe(s) + ۴CO(g)

کربن مونوکسید می‌تواند با استفاده از مقدار بیش‌تری آهن، مورد استفاده قرار بگیرد.

Fe۳O۴ + ۴CO(g) → ۳Fe(s) + ۴CO۲(g)

استفاده از گوگرد، موجب تولید کربن دی‌سولفید و استفاده از بخار آب، موجب تولید کربن مونوکسید می‌شود:

C(s) + H۲O(g) → CO(g) + H۲(g)

کربن در دماهای بالا قابلیت واکنش با برخی از فلزات و تولید کاربید فلزی را دارد. به‌عنوان مثال تولید آهن کاربید در فرایند تولید فولاد و تنگستن کاربید که از آن به‌عنوان یک ساینده در ساخت نوک سخت ابزارهای برش استفاده می‌شود.

دگرشکل‌های کربنی طیف وسیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی را منجر می‌شوند که در جدول زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است:

مقایسه ویژگی‌های الماس و گرافیت، دو دگرشکل کربن
گرافیت
الماس
از نرم‌ترین ترکیبات شناخته شده است. نانوبلور سنتزی الماس، سخت‌ترین ترکیب طبیعی شناخته شده است.[۳۳]
با داشتن خاصیت ابرروان‌کنندگی[h] یک روان‌کننده خوب است.[۳۴] بهترین ترکیب موجود برای ساییدن دیگر مواد است.
رسانای جریان الکتریسیته است.[۳۵] یک عایق عالی برای جریان الکتریسیته است[۳۶] و دارای بالاترین میزان شکست میدان الکتریکی در میان تمامی مواد شناخته شده است.
برخی از انواع گرافیت مناسب برای استفاده به‌عنوان عایق حرارتی (عایق آتش و محافظ) هستند در حالی‌که برخی دیگر، هدایت کننده بسیار خوب حرارت محسوب می‌شوند. بهترین ترکیب طبیعی رساننده حرارتی است.
کدر است. فوق‌العاده شفاف است.
در شبکه بلوری شش‌گوشه متبلور می‌شود.[۳۷] در شبکه بلوری مکعبی متبلور می‌شود.
کربن بی‌شکل[i]، کاملاً همسان‌گرد است. نانولوله‌های کربنی در میان ناهمسان‌ترین مواد شناخته شده قرار می‌گیرند.

دگرشکل‌ها[ویرایش]

برخی از دگرشکل‌های کربن: a. الماس، b. گرافیت، c. لونسدالیت،
d.e.f. فولرن‌ها (C۷۰ ،C۵۴۰ ،C۶۰) g. کربن بی‌شکل، h. نانولوله کربنی

کربن اتمی دارای عمری کوتاه است که این موضوع موجب می‌شود شکل‌های متنوع مولکولی یا همان دگرشکل‌های کربنی شکل بگیرند. سه دگرشکل شناخته شده کربن عبارت‌اند از کربن بی‌شکل گرافیت و الماس. دگرشکل دیگر کربن، فولرن است که زمانی گونه‌ای خاص و عجیب به‌شمار می‌آمد اما امروزه به‌صورت متداول تهیه و در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. خانواده دگرشکل‌های فولرنی خود شامل فولرن باکمینستر،[۲۲][۳۸] نانولوله کربنی،[۳۹] نانوجوانه کربنی[۴۰] و نانوالیاف کربنی[۴۱][۴۲] است. علاوه‌بر دگرشکل‌های مرسوم، چندین نوع دگرشکل غیرمعمول نیز از کربن شناخته شده‌است که عبارت‌اند از لونسدالیت،[۴۳] کربن شیشه‌ای،[۲۴] نانوفوم کربنی[۴۴] و کربن استیلنی خطی یا همان کاربین.[۴۵]

گرافن یکی دیگر از دگرشکل‌های کربنی است که متشکل از ورقه‌ای دوبعدی و ساخته شده از ساختارهای شش‌گوشه کربنی است. تا سال ۲۰۰۹، گرافن به‌عنوان محکم‌ترین ماده بررسی شده بود.[۴۶] فرایند جداسازی گرافن از گرافیت، نیازمند توسعه فناوری به منظور تجاری سازی تولید آن است.[۴۷] چنانچه تولید تجاری گرافن قابل دسترس شود، گرافن می‌تواند در تولید اهداف گوناگونی مورد استفاده قرار بگیرید که آسانسور فضایی و ذخیره ایمن هیدروژن در ماشین‌های مبتنی بر موتور هیدروژنی از جمله آنها هستند.[۴۸]

کربن بی‌شکل، به‌عنوان دگرشکلی از کربن، فرمی است که در آن اتم‌های کربن در ساختاری غیربلوری، نامنظم و شیشه‌ای مانند قرار گرفته‌اند. این نوع کربن به‌صورت پودری است و جزء اصلی تشکیل دهنده زغال، کربن سیاه، دوده و کربن فعال است.

در فشار رایج، کربن ساختاری مانند گرافیت به خود می‌گیرد، به‌طوری که هر اتم به صورت مثلثی با سه‌اتم دیگر پیوند برقرار می‌کند و منجر به تولید یک صفحه مسطح متشکل از واحدهای حلقوی شش‌گوشه درست همانند هیدروکربن‌های آروماتیک می‌شود.[۴۹] ساختار به‌وجود آمده یک شبکه دوبعدی از اتم‌های کربن است و این صفحات مسطح کربنی می‌توانند با کمک نیروی ضعیف وان‌دروالسی بر روی یک‌دیگر قرار بگیرند. استحکام پایین پیوند میان این صفحات قرار گرفته بر روی یک‌دیگر، موجب لغزش آسان صفحات بر روی یک‌دیگر و نرمی گرافیت می‌شود. نیروی وان‌دروالسی میان لایه‌ها براثر همپوشانی الکترون‌های خارجی اتم‌های تشکیل دهنده لایه‌ها است و این همپوشانی منجر به تشکیل یک ابر پای و عدم استقرار الکترونی می‌شود. وجود ابر ناشی از عدم استقرار الکترونی، باعث می‌شود که گرافیت بتواند تنها در محل تشکیل پیوندهای نامستقر و در راستای صفحات خود، هادی جریان الکتریکی باشد. این محدودیت سبب می‌شود که خصلت هدایت الکتریکی توده کربن در مقایسه با اغلب فلزات کمتر باشد. عدم استقرار الکترونی همچنین موجب می‌شود که گرافیت در مقایسه با الماس، پایداری بیشتری در دمای اتاق داشته باشد.

در فشارهای بالا، کربن دگرشکل‌های فشرده‌تری مانند الماس را تشکیل می‌دهد که تقریباً دارای چگالی دوبرابر گرافیت است. برخلاف گرافیت، در ساختار الماس، هر اتم به‌صورت چهاروجهی با چهار اتم دیگر پیوند برقرار می‌کند و منجر به تشکیل یک شبکه سه بعدی از حلقه‌های شش عضوی منقبض شده می‌شود. الماس همانند سیلیسیم و ژرمانیم، دارای ساختار مکعبی است و به‌علت قدرت پیوندهای کربن-کربن، سخت‌ترین ماده طبیعی شناخته شده در مقابل خراشیده شدن است. برخلاف باور عمومی که بیان می‌کند «الماس‌ها تا ابد باقی می‌مانند»، الماس در شرایط استاندارد (دما: ۲۹۸ کلوین، فشار: ۱۰٬۰۰۰ پاسکال[۵۰]) از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است (انرژی استاندارد تشکیل گیبس (ΔfG°) برای الماس در دمای ۲۹۸ کلوین = ۲٫۹ کیلوژول بر مول[۵۱]) و در نهایت به گرافیت تبدیل می‌شود. باتوجه به سد انرژی بالای فعال‌سازی، تبدیل الماس به گرافیت در دمای اتاق به‌قدری آهسته است که قابل تشخیص نیست. باقیمانده کربنی که دچار تغییر فاز شده‌است به‌صورت تجربی مورد بررسی قرار نگرفته‌است اما مطالعات نظری اخیر با استفاده از روش نظریه تابعی چگالی به این نتیجه رسیده‌است که در شرایط رسیدن دما و فشار به‌ترتیب به صفر کلوین و صفر پاسکال، الماس به ساختاری با استحکامی در حدود ۱/۱ کیلوژول بر مول بیشتر از گرافیت تبدیل می‌شود. تحت برخی شرایط، کربن به لونسدالیت متبلور می‌شود، ساختاری که یک شبکه بلوری شش‌گوشه است و در آن، همه اتها، همانند آنچه در الماس رخ می‌دهد، به‌صورت کووالانسی با یکدیگر پیوند برقرار می‌کنند.[۴۳] فولرن‌ها، بلورهایی سنتزی با ساختای مشابه گرافیت هستند با این تفاوت که تمام واحدهای تشکیل دهنده، از شش‌گوشه‌های مسطح ساخته نشده‌اند و تعدادی واحد شش‌گوشه نامسطح، پنج‌گوشه و حتی هفت‌گوشه نیز در ساختار آنها وجود دارد. صفحات سازنده فولرن‌ها به‌صورت کره، بیضی یا استوانه‌ای شکل می‌گیرند. خواص خانواده ترکیبات فولرنی هنوز به‌صورت کامل ارزیابی نشده‌است و این موضوع خود زمینه وسیعی در تحقیقات نانومواد را به خود اختصاص داده‌است. فولرن یا نام متداول دیگر آن یعنی باکی‌بال، برگرفته از نام باکمینستر فولر و مخترع گنبد ژئودزیک است، گنبدی که دارای ساختاری مشابه با فولرن‌ها است. باکی‌بال‌ها دارای ساختارهای مولکولی بزرگی از کربن هستند که که اتم‌های کربن در آنها به‌صورت مثلثی با یکدیگر پیوند داده‌اند و موجب شکل‌گیری یک ساختار کره‌گون شده‌اند (شناخته شده‌ترین و ساده‌ترین نوع فولرن، فولرن باکمینستر با ۶۰ اتم کربن است که دارای ساختاری شبیه توپ فوتبال است).[۲۲]نانولوله‌های کربنی (موسوم به باکی‌تیوب) همانند باکی‌بال‌ها هستند با این تفاوت که هر اتم کربن در صفحه کربنی ساخته شده به‌صورت مثلثی با سه اتم دیگر در پیوند است و موجب ایجاد ساختاری استوانه‌ای شکل و توخالی می‌شود.[۳۸][۳۹] نانوجوانه‌ها برای اولین‌بار در سال ۲۰۰۷ گزارش شدند و ترکیبی از باکی‌بال‌ها و نانولوله‌ها هستند، به این صورت که باکی‌بال‌ها به‌صورت کووالانسی به سطح خارجی یک نانولوله متصل شده‌اند که این موجب تجمیع خواص این دو گونه در غالب یک ساختار واحد می‌شود.[۴۰]

از دیگر دگرشکل‌های شناخته شده، کربن نانوفوم است که در سال ۱۹۹۷ کشف شد. این دگرشکل متشکل از مجموعه خوشه‌های دارای چگالی کم از اتم‌های کربن است که این اتم‌های کربنی به‌صورت رشته مانند در شبکه سه‌بعدی ضعیفی نگه داشته شده‌اند. در ساختار این کربن نانوفوم، اتم‌ها به‌صورت مثلثی با یکدیگر در پیوند هستند و منجر به تشکیل حلقه‌هایی شش یا هفت عضوی می‌شوند. این دگرشکل یکی از سبک‌ترین مواد جامد شناخته شده‌است به‌طوری که تنها دارای یک چگالی ۲ کیلوگرم برای هر متر مکعب است.[۵۲] به‌صورت مشابهی با کربن نانوفوم، کربن شیشه‌ای نیز شامل نسبت زیادی فضاهای متخلخل بسته‌است[۲۴] با این تفاوت که برخلاف ساختار گرافیتی، فاقد ساختاری منظم از صفحات چیده شده بر روی یکدیگر همانند صفحات یک کتاب است و صفحات به‌صورت نامنظم و تصادفی بر روی یک‌دیگر قرار گرفته‌اند.

کربن استیلنی خطی که با نام کاربین نیز شناخته می‌شود، دارای ساختار شیمیایی −n(C:::C)− است.[۴۵] کربن در این نوع دگرشکل، دارای هیبریداسیون از نوع sp است و شکل کلی دگرشکل مانند یک پلیمر است که دارای پیوندهای یگانه و سه‌گانه به‌صورت یک‌درمیان است. کاربین توجه زیادی را در نانوفناوری به خود جلب کرده‌است چراکه دارای مدول یانگ برابر با ۴۰ برابر الماس است.[۵۳] در سال ۲۰۱۵، یک تیم از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، اعلام کرد که دگرشکل دیگری از از کربن را توسعه داده‌اند که نام آن کربن کیو[j] گذاشته شده‌است. این دگرشکل، خواص فرومغناطیس، فلوئورسانس نشان می‌دهد و سختی آن بیشتر از الماس است.[۵۴] در فاز بخار، برخی از اتم‌های کربن، تشکیل کربن دواتمی می‌دهند. این گونه& در زمان برانگیخته شدن، نور سبز رنگ از خود منتشر می‌کند.

فراوانی[ویرایش]

دنباله‌دار سی/۲۰۱۴ کیو۲، احاطه شده توسط بخار کربن درخشان

از لحاظ فراوانی جرمی، پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن، کربن چهارمین عنصر در سراسر کیهان است. کربن در خورشید، سایر ستارگان، دنباله‌دارها و جو اغلب سیارات، به‌وفور یافت می‌شود.[۵۵] برخی از شهاب سنگ‌ها حاوی الماس‌های میکروسکوپی هستند که در دوران اولیه تشکیل منظومه شمسی، زمانی که منظومه شمسی تنها یک قرص پیش‌سیاره‌ای بوده‌است، تشکیل شده‌اند.[۵۶] الماس‌های میکروسکوپی همچنین ممکن است در فشار و دمای بالا در بخش‌هایی از شهاب‌سنگ‌ها که در محل برخورد شهاب‌سنگ‌ها قرار دارند، تشکیل شوند.[۵۷]

در سال ۲۰۱۴، ناسا از یک بانک اطلاعاتی به‌روز شده گسترده برای دنبال کردن هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای در کیهان رونمایی کرد. بیش از ۲ درصد کربن موجود در کیهان، ممکن است با هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای در ارتباط باشد، ترکیبات پیچیده‌ای متشکل از کربن و هیدروژن، بدون اکسیژن.[۵۸] این ترکیبات اساس فرضیه دنیای ناشی از هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای و پیدایش حیات را به‌عهده دارند. این ترکیبات که در حدود چند میلیارد سال پس از مهبانگ تشکیل شده‌اند، در سرتاسر کیهان پراکنده شده‌اند و با ستاره‌های جدیدی و سیارات خارج از منظومه شمسی در ارتباط هستند.[۵۵]

تخمین زده می‌شود که بخش جامد زمین، متشکل از ۷۳۰ قسمت در میلیون[k] کربن است و این مقدار در هسته به ۲۰۰۰ و در بخش‌های گوشته و پوسته روی هم به ۱۲۰ قسمت در میلیون می‌رسد.[۵۹] باتوجه به این‌که جرم زمین برابر ۱۰۲۴×۵٫۹۷۲ کیلوگرم است، بنابراین مقدار کربن را می‌توان برابر با ۴۳۶۰ میلیون گیگاتن دانست. این مقدار بسیار بیش‌تر از کربن موجود در اقیانوس‌ها و جو زمین است.

کربن به‌صورت کربن دی‌اکسید در جو زمین وجود دارد و مقدار مجموع آن تقریباً به ۸۳۹ گیگاتن می‌رسد. میزان کربن حل شده در مجموع‌های آب‌ها نیز تقریبا برابر با ۳۸۰۰۰ گیگاتن، تخمین زده می‌شود.[۶۰] تخمین زده می‌شود، کربن موجود در زیست کره حدود ۵۵۰ گیگاتن است که البته به‌علت عدم دقت در تعیین میزان باکتری‌های موجود در اعماق زمین، میزان عدم قطعیت این تخمین زیاد است.[۶۱] هیدروکربن‌ها (مانند زغال‌سنگ، نفت خام و گاز طبیعی) نیز به‌عنوان منابع حاوی کربن محسوب می‌شوند. مقدار کربن موجود در ذخایر زغال‌سنگ برابر با ۹۰۰ گیگاتن است، درحالی‌که این مقدار برای منابع زغال‌سنگ شاید به ۱۸۰۰۰ گیگاتن هم برسد.[۶۲] میزان کربن ذخایر نفت خام نیز به حدود ۱۵۰ گیگاتن می‌رسد. منابع اثبات شده گاز طبیعی تقریباً برابر با ۱۰۱۲×۱۷۵ متر مکعب است (که میزان کربن آن را حدوداً برابر با ۱۰۵ گیگاتن است)، با این‌حال مطالعات تخمین می‌زند که ۱۰۱۲×۹۰۰ متر مکعب گاز دیگر در منابعی مانند گاز شیل وجود دارد که میزان کربن آن را می‌توان تا ۵۴۰ گیگاتن محاسبه کرد.[۶۳]

کربن همچنین به صورت آذریخ در مناطق قطبی و در زیر اقیانوس یافت می‌شود. تخمین‌های متفاوتی از میزان کربن مربوط ارائه شده‌است که مقدار آن را ۵۰۰، ۲۵۰۰ یا ۳۰۰۰ گیگاتن اعلام می‌کنند.[۶۴][۶۵]

میزان کربن معدنی حل شده در سطح اقیانوس‌ها در دهه ۱۹۹۰ میلادی (برگرفته از پروژه تجزیه و تحلیل جهانی داده‌های اقلیم‌شناسی)

در گذشته، مقدار هیدروکربن‌ها بسیار بیش‌تر بوده‌است. برمبنای یک منبع، بین سالهای ۱۷۵۱ تا ۲۰۰۱، حدود ۳۴۷ گیگاتن از کربن موجود، بر اثر سوزاندن سوخت‌های فسیلی، به‌صورت کربن دی‌اکسید به درون جو زمین رها شده‌است.[۶۶] منبع دیگری بیان می‌کند که از سال ۱۷۵۰ به بعد، میزان کربن رها شده به‌درون جو زمین برابر با ۸۷۹ گیگاتن و مجموع کربن رها شده به‌درون جو، اقیانوس‌ها و خشکی (مانند خاک باتلاقی) برابر با ۲۰۰۰ گیگاتن بوده‌است.[۶۷]

کربن یکی از اجزای اصلی سنگ‌های کربناتی (مانند سنگ آهک، دولومیت، مرمر) است به‌طوری که به‌لحاظ جرمی، در مجموع سهمی ۱۲ درصدی دارد. زغال‌سنگ دارای مقدار بسیار بالایی کربن است (به‌عنوان مثال آنتراسیت دارای ۹۲ تا ۹۸ درصد کربن است)[۶۸] و زغال‌سنگ، با داشتن ۴۰۰۰ گیگاتن کربن و سهمی ۸۰ درصدی از سوخت‌های فسیلی، بزرگ‌ترین منبع تجاری کربن معدنی است.[۶۹]

مطابق آمار اعلام شده در سال ۲۰۱۹، کشورهای ترکیه، چین، برزیل، موزامبیک، تانزانیا، هند، ویتنام، مکزیک، کره شمالی و ماداگاسکار، به‌ترتیب، ۱۰ کشور دارای بیش‌ترین میزان ذخیره طبیعی گرافیت در سراسر دنیا هستند.[۷۰] همچنین، کشورهای چین، برزیل، ماداگاسکار، کانادا، هند، روسیه، اوکراین، نروژ، پاکستان و مکزیک ۱۰ کشور دارای بیش‌ترین میزان تولید گرافیت در سراسر دنیا هستند.[۷۱] مطابق آمار اعلام شده در سال ۲۰۱۹، کشورهای روسیه، کنگو، بوتسوانا، آفریقای جنوبی، استرالیا به‌ترتیب، پنج کشور دارای بیش‌ترین میزان ذخیره طبیعی الماس در سراسر دنیا هستند.[۷۲] همچنین، کشورهای روسیه، استرالیا، کنگو، بوتسوانا، زیمبابوه، آفریقای جنوبی، شش کشور دارای بیش‌ترین میزان تولید الماس در سراسر دنیا هستند.[۷۳] اگرچه الماس به‌طور طبیعی نیز یافت می‌شود، با این‌حال حدود ۳۰ درصد تمام الماس‌های مورد استفاده در صنعت در ایالات متحده آمریکا، به‌صورت مصنوعی ساخته می‌شوند.[۷۴]

کربن-۱۴ در لایه بالای تروپوسفر و استراتوسفر در ارتفاعی بین ۹ تا ۱۵ کیلومتر تولید می‌شود، جایی که کربن براثر واکنش با پرتوهای کیهانی ته‌نشین می‌شود.[۷۵] نوترون‌های حرارتی با برخورد با نیتروژن-۱۴ موجب تبدیل آن‌ها به کربن-۱۴ و یک پرتون به‌ازای هر کربن-۱۴ تولید شده، می‌شوند. برهمین اساس، ۱۰-۱۰×۱٫۵ درصد از کربن دی‌اکسید موجود در جو زمین، حای کربن-۱۴ است.[۷۶]

سیارک‌های غنی از کربن، نسبت قابل توجهی را در مناطق خارج از کمربند سیارکی در منظومه شمسی به خود اختصاص می‌دهند. دانشمندان هنوز موفق به نمونه برداری مستقیم از این سیارک‌ها نشده‌اند. با این‌حال این سیارک‌ها می‌توانند به‌عنوان منابع کربن در فرضیه معادن فضایی استخراج کربن مورد استفاده قرار بگیرند، طرحی که با فناوری امروزی غیرممکن است، اما ممکن است در آینده عملی شود.[۷۷]

ایزوتوپ[ویرایش]

ایزوتوپ‌های کربن در واقع همگی اتم‌های کربن دارای شش پروتون هستند و تفاوت آنها در داشتن تعداد متفاوتی از نوترون‌ها است، نوترون‌هایی که تعدادشان می‌تواند از ۲ تا ۱۶ متغیر باشد. از میان تمامی ایزوتوپ‌های کربن، تنها دو مورد، ایزوتوپ طبیعی و پایدار محسوب می‌شوند که دارای بیش‌ترین میزان فراوانی نیز هستند.[۷۸] از این میان، این دو ایزوتوپ، ایزوتوپ کربن-۱۲ حدود ۹۸٫۹۳ درصد از کربن موجود بر روی زمین را تشکیل می‌دهد و ایزوتوپ کربن-۱۳، سهمی برابر ۱٫۰۷ درصد را دارا است.[۷۸] میزان کربن-۱۲ در ترکیبات زیستی حتی از مقدار ذکر شده نیز بیشتر می‌شود چراکه در واکنش‌های زیست‌شیمیایی، تمایل زیادی برای کربن-۱۲ نسبت به کربن-۱۳ وجود دارد.[۷۹] در سال ۱۹۶۱، اتحادیهٔ بین‌المللی شیمی محض و کاربردی، ایزوتوپ کربن-۱۲ را به‌عنوان مبنای تعیین جرم اتمی نسبی عناصر انتخاب کرد.[۸۰] در طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای از کربن-۱۳ برای شناسایی ساختمان شیمیایی ترکیبات کربنی استفاده می‌شود.[۸۱]

کربن-۱۴ دیگر ایزوتوپ کربن است که به‌صورت طبیعی یک ایزوتوپ پرتوزا است که توسط واکنش پرتوهای کیهانی با نیتروژن در لایه بالایی جو (در بخش‌های پایینی استراتوسفر و بالایی تروپوسفر) ایجاد می‌شود.[۸۲] این ایزوتوپ در مقادیر بسیار ناچیزی برابر ۱ قسمت در تریلیون[l] (۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ درصد) به‌ویژه در جو و انباشته‌ها سطحی مانند تورب و دیگر مواد آلی یافت می‌شود.[۸۳] کربن-۱۴ با انتشار پرتوی بتایی با بار منفی و انرژی ۰٫۱۵۸ مگاالکترون ولت فروپاشیده می‌شود. به‌علت زمان فروپاشی نسبتاً آهسته این ایزوتوپ که حدود ۵۷۳۰ سال است، کربن-۱۴ عملاً در میان سنگ‌های قدیمی یافت نمی‌شود. مقدار این ایزوتوپ در جو زمین و همچنین در بدن موجودات زنده تقریباً ثابت است، اما به‌صورت مشخصی بعد از مرگ موجودات زنده، مقدار ان در بدن آنها کاهش می‌یابد. این کاهش، عملاً به‌عنوان یک اصل در روش عمرسنجی رادیوکربنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش که در سال ۱۹۴۹ ابداع شده است، به‌صورت گسترده‌ای برای تعیین سن مواد کربنی تا عمری در حدود ۴۰۰۰۰ سال، استفاده می‌شود.[۸۴][۸۵]

بیش از ۱۵ نوع ایزوتوپ کربن شناخته شده وجود دارد که از میان آن‌ها کمترین نیمه‌عمر به کربن-۸ تعلق دارد، ایزوتوپی که با نشر پروتون و واپاشی آلفا دارای نیمه‌عمری معادل ۲۱-۱۰×۱٫۹۸۷۳۹ ثانیه دارد.[۸۶] کربن-۱۹ یکی دیگر از ایزوتوپ‌های غیرعادی کربن است که دارای هاله هسته‌ای[m][توضیح ۱] است. به این معنی که اگر هسته را معادل یک کره دارای چگالی واحد در نظر بگیریم، هسته این ایزوتوپ بزرگتر از حد مورد انتظار است.[۸۷]

شکل‌گیری در ستاره‌ها[ویرایش]

در فرایند آلفا سه‌گانه سه هسته هلیوم-۴ (ذرات آلفا) با یکدیگر ترکیب شده و هسته کربن را ایجاد می‌کند.

کربن اتمی درون یک ستاره غول یا ابرغول از طریق انجام فرایند آلفا سه‌گانه تشکیل می‌شود. این مسیر نیازمند برخورد تقریباً همزمان سه ذره آلفا (هسته اتم هلیوم) است، چراکه محصول واکنش همجوشی هسته‌ای یک هلیوم با هیدروژن و یا اتم هلیوم دیگر، به‌ترتیب لیتیم-۵ و هلیوم-۸ خواهند بود که هردو فوق‌العاده ناپایدار هستند و فوراً به گونه‌های سبک‌تر فروپاشیده می‌شوند.[۸۸] فرایند آلفا سه‌گانه در دمایی بیش از ۱۰۰ مگاکلوین انجام می‌شود. در نتیجه در دوران‌های اولیه تشکیل کیهان که سرعت بالای انبساط و افت دما رخ داده‌است، مقدار قابل توجهی کربن تولید نشده‌است.

بر طبق نظریات فعلی اخترفیزیک، کربن در بخش‌های درونی ستارگان در زمانی که آن‌ها در مرحله شاخه افقی قرار دارند، تشکیل می‌شود.[۸۹] زمانی که ستارگان کلان جرم، با تولید سوپرنوا شروع به نابود شدن می‌کنند، کربن‌های تولید شده مانند غبار به درون فضا پرتاب می‌شوند. این غبار پراکنده شده، به‌عنوان مواد سازنده نسل بعدی ستارگان که اصطلاحاً ستارگان فلزینه نامیده می‌شوند[توضیح ۲] و دارای سیاراتی به دور خود هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۵۵][۹۰]

نمودار چرخه کربن. اعداد سیاه رنگ نشان‌گر میزان کربن ذخیره شده در ذخایر مختلف با واحد میلیارد تن است (اعداد مطابق آمار سال ۲۰۰۴ هستند). اعداد بنفش رنگ نماینده میزان کربن جابه‌جا شده میان ذخایر مختلف در هر سال هستند. ته‌نشست‌ها، همان‌طور که در نمودار تعریف داده شده است، حدود ۷۰ میلیون گیگاتن سنگ‌های کربناتی و کروژن را شامل نمی‌شود.

خورشید واقع در منظومه شمسی یکی از ستارگان این چنینی است که با داشتن مقدار زیاد کربن، وجود حیاتی که امروزه بر روی زمین وجود دارد را ممکن ساخته‌است.

چرخه سی‌ان‌او، که یک سازوکار همجوشی هیدروژن اضافی است که با کمک کربن در نقش کاتالیزور، موجب نیرو بخشیدن به ستارگان می‌شود. انتقالات چرخشی گونه‌های مختلف ایزوتوپی مولکول کربن مونوکسید (برای مثال کربن-۱۲، ۱۳ و ۱۸) توسط اخترشناسی زیرمیلی‌متری[n][توضیح ۳] قابل تشخیص هستند و از آن‌ها در مطالعه ستارگان تازه متولد شده و ابرهای مولکولی استفاده می‌شود.[۹۱]

چرخه کربن[ویرایش]

در شرایط متداول بر روی زمین، تبدیل یک عنصر به دیگری، رخدادی بسیار نادر است. بنابراین مقدار کربن موجود بر روی زمین به میزان تقریباً کاملی، ثابت است. از همین‌رو، فرایندهایی که طی آن‌ها کربن مصرف می‌شود، بایستی کربن مورد نیاز خود را از یک محل تهیه و کربن پسماند را در محلی دیگر دفع کنند. مسیرهای کربنی موجود در محیط زیست، تشکیل دهنده چرخه کربن هستند. برای مثال گیاهانی که فتوسنتز می‌کنند، کربن دی‌اکسید مورد نیاز خود را از هوا (یا آب دریا) دریافت می‌کنند و سپس آن را به زیست‌توده تبدیل می‌کنند، همانند چرخه کالوین که طی آن کربن تثبیت می‌شود. برخی از این زیست‌توده تولید شده، توسط حیوانات خورده می‌شود و مقداری دیگر از آن به‌صورت کربن دی‌اکسید توسط حیوانات تنفس می‌کند. چرخه کربن در عمل، فرایندی پیچیده‌تر از توصیفی است که در این‌جا به آن اشاره شد. به‌عنوان مثال، مقداری از کربن دی‌اکسیدی که در آب اقیانوس‌ها حل می‌شود و گیاهان مرده یا مواد جانوری چنانچه توسط باکتری‌ها مصرف نشوند، ممکن است به نفت یا زغال‌سنگ تبدیل شوند که می‌توانند در زمان سوزانده شدن، موجب آزادسازی کربن دی‌اکسید شوند.[۹۲][۹۳]

مدل اتمی[ویرایش]

نمودار نشان‌دهنده فرایند هیبریداسیون اوربیتال‌های اتمی یک اتم کربن. با انتقال یک الکترون از اوربیتال 2p پرشده در تراز پایین‌تر، به اوربیتال 2p خالی در تراز بالاتر و در ادامه یک هم‌تزاری اوربیتال‌های نیمه‌پر، هیبریداسیون نهایی اتم کربن تعیین می‌شود: مشارکت هرسه اوربیتال پی (sp۳)، مشارکت دو اوربیتال پی (sp۲) و مشارکت تنها یک اوربیتال پی (sp)

اتم کربن در حالت پایه دارای اوربیتال‌های اتمی با آرایش الکترونی ۱s۲۲s۲۲px۱۲py۱۲pz۰ است. یک اتم کربن می‌تواند با تغییر سطح انرژی اوربیتال‌های اتمی خود طی فرایندی موسوم به هیبریداسیون اوربیتالی، منجر به هم‌تراز شدن اوربیتال‌های لایه ظرفیت خود و همچنین چینش مجدد الکترونهای این اوربیتال‌ها شود. اوربیتال‌های هیبریدی نیمه پر ایجاد شده از این طریق، امکان برقراری پیوند با اتم‌های دیگر را دارند که برای اتم کربن با توجه به وجود چهار اوربیتال نیمه‌پر، امکان تشکیل حداکثر چهار پیوند کووالانسی وجود دارد. یک اتم کربن، بسته به میزان مشارکت ۳ اوربیتال پی در فرایند هیبریداسیون، می‌تواند متحمل سه نوع هیبریداسیون شود. به این ترتیب که مشارکت سه اوربیتال پی (p) در فرایند هیبریداسیون موجب ایجاد هیبریداسیون sp۳، مشارکت دو اوربیتال پی موجب شکل‌گیری هیبریداسیون sp۲ و چنانچه تنها یکی از اوربیتالهای پی در فرایند هیبریداسیون شرکت کند، هیبریداسیون اتم مورد نظر از نوع sp می‌شود. علاوه‌بر هیبریداسیون متفاوت، نوع پیوندهایی که یک اتم کربن قادر به برقراری آن‌ها است نیز می‌تواند متفاوت باشد که آن‌ها نیز به نوبه خود به سه نوع؛ پیوند یگانه (C-C)، دوگانه (C=C) و سه‌گانه (C≡C) تقسیم می‌شوند. این که یک اتم در کدام نوع پیوند مشارکت کند، به هیبریداسیون آن بستگی دارد. به‌عنوان مثال اگر هیبریداسیون اتم کربن از نوع sp۳ باشد، نوع پیوند آن یگانه، برای هیبریداسیون sp۲، نوع پیوند دوگانه و در مورد هیبریداسیون sp، نوع پیوند سه‌گانه خواهد بود.[۹۴]

هیبریداسیون sp۳[ویرایش]

هیبریداسیون sp۳ ناشی از مشارکت سه اوربیتال اتمی پی (px.py.pz) و یک اوربیتال اتمی اس (s) است. در میان دگرشکل‌های کربن، الماس یکی از ساختارهایی است که اتم‌های تشکیل دهنده آن، دارای هیبریداسیون sp۳ و درنتیجه پیوندهای یگانه است. ساختار بلوری مکعب الماس الگوی تکراری از ۸ اتم است که برخی مواد ممکن است هنگام جامد شدن از آن استفاده کنند. در حالی که اولین نمونه شناخته شده از این نوع ساختار، الماس بوده‌است، سایر عناصر گروه ۱۴ نیز این ساختار را به خود می‌گیرند، از جمله آلفا-قلع، نیم‌رساناهای سیلیسیم و ژرمانیوم و همچنین آلیاژهای سیلیسیم و ژرمانیم. تمام اتم‌ها در این ساختار، اتم‌های مشابهی هستند که توسط پیوندهای کووالانسی به یک‌دیگر متصل شده‌اند. این ساختار شبیه یک ساختار مکعبی با وجوه مرکز پر به اضافه چهار اتم داخلی است.[۹۵]

هیبریداسیون sp۲[ویرایش]

هیبریداسیون sp۲ ناشی از مشارکت دو اوربیتال اتمی پی (px.py) و یک اوربیتال اتمی اس (s) است. از بین دگرشکل‌های کربن، گرافیت یکی از مواردی است که اتم‌های تشکیل دهنده آن، دارای هیبریداسیون sp۲ و درنتیجه پیوندهای دوگانه است. گرافیت دارای ساختاری لایه‌ای است و در آن هر اتم کربن به سه اتم کربن دیگر متصل است. در اطراف هر اتم کربن یک آرایش سه ضلعی مسطح با زاویه ۱۲۰ درجه به وجود می‌آید.[۹۶][۹۷] از اتصال ۶ اتم کربن ساختارهایی شش‌گوشه ایجاد می‌شود که از اتصال آنها به یکدیگر صفحاتی مشبک به وجود می‌آید. پیوند بین مولکولی در صفحات بسیار قوی بوده ولی بین صفحات نیروی ضعیف وان‌دروالسی وجود دارد که موجب لغزیدن یا جدا شدن لایه‌ها می‌گردد.[۹۸] آلفا-هگزاگونال و بتا-رامبوهدرال دو شکل شناخته شده گرافیت، ویژگی‌های فیزیکی بسیار مشابهی دارند.[۹۹][۱۰۰] فرم آلفا می‌تواند با استفاده از روش‌های مکانیکی به فرم بتا تبدیل شود و فرم بتا هنگامی که بالاتر از ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم شود، به فرم آلفا بازمی‌گردد.[۱۰۱]

هیبریداسیون sp[ویرایش]

هیبریداسیون sp ناشی از مشارکت تنها یک اوربیتال اتمی پی (px ،py یا pz) و یک اوربیتال اتمی اس (s) است. از بین دگرشکل‌های کربن، ترکیب سیکلو(۱۸)کربن گونه‌ای است که اتم‌های تشکیل دهنده آن، دارای هیبریداسیون sp و درنتیجه پیوندهای سه‌گانه است. سیکلو(۱۸)کربن مولکولی است که ساختاری حلقوی دارد و متشکل از ۱۸ اتم کربن دارای پیوندهای سه‌گانه یکی در میان است. این ساختار، کوچک‌ترین ترکیب از خانواده سیکلو[n]کربن‌ها است و طبق محاسبات انجام شده با داشتن انرژی فشار حلقه[o] برابر ۷۲ کیلوکالری بر مول، پیش‌بینی می‌شود که یک ترکیب پایدار از لحاظ ترمودینامیکی باشد. رایج‌ترین پیوندهای سه‌گانه بین دو اتم کربن، در آلکین‌ها دیده می‌شود. سیانیدها و ایزوسیانیدها نیز پیوند سه‌گانه دارند. برخی مولکول‌ها دواتمی مانند دی‌نیتروژن و کربن مونوکسید نیز پیوند سه‌گانه دارند. این پیوند در فرمول اسکلتی با سه خط افقی (≡) نمایش داده می‌شود.[۱۰۲][۱۰۳][۱۰۴]

ترکیبات[ویرایش]

ترکیبات آلی[ویرایش]

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

کربن توانایی تشکیل زنجیرهای طولانی و متقاطع متشکل از پیوندهای کربن-کربن را دارد، خصلتی که به آن کاتناسیون[p][توضیح ۴] گفته می‌شود. پیوندهای کربن-کربن پیوندهایی محکم و پایدار هستند و از طریق کاتناسیون این پیوندها می‌توانند ترکیبات کربنی بی‌شماری را تشکیل دهند.[۱۰۵]

هیدروکربن، ساده‌ترین شکل از مولکول‌های آلی است، 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. ناجوراتم‌های متداولی که در ساختار ترکیبات آلی حضور دارند عبارت‌اند از اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر، هالوژن‌های غیرپرتوزا و همچنین فلزاتی مانند سدیم و منیزیم. گروه‌های مشخصی از برخی اتم‌ها که اغلب شامل ناجوراتم‌ها هستند، در تعداد زیادی از ترکیبات آلی حضور دارند. به این گروه‌ها که دارای آرایش مشخصی از اتم‌ها هستند، گروه‌های عاملی گفته می‌شود و علت عاملی خواندن آنها این است که این گروه‌ها به‌طور عمده عامل تعیین‌کننده رفتار شیمیایی و فیزیکی و همچنین نوع واکنش پذیری ترکیب مورد نظر هستند. از همین رو می‌توان ترکیبات آلی را بر مبنای نوع گروه عاملی خود دسته‌بندی کرد. طول زنجیره مولکول، شکل، نوع و تعداد گروه عاملی، همگی در تعیین خواص نهایی فیزیکی و شیمیایی مولکول نقش دارند.

در پایدارترین ترکیبات کربنی (و تقریباً تمام ترکیبات آلی پایدار)، کربن از قاعده هشت‌تایی پیروی می‌کند و به‌صورت چهارظرفیتی است. به این معنی که یک اتم کربن برای رسیدن به پایداری در مجموع چهار پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهد (که این پیوندها، موارد پیوند دوگانه و سه‌گانه را نیز شامل می‌شود). برخی از ترکیبات مانند کربوکاتیون‌ها (دارای سه‌پیوند، بار مثبت)، رادیکال‌ها (دارای سه پیوند، خنثی)، کربانیون‌ها (دارای سه پیوند، بار منفی) و کاربن‌ها (دارای دو پیوند، خنثی) اگرچه می‌توانند مطابق قاعده فوق رفتار نکنند، اما این ترکیبات ناپایدار محسوب شده و به‌عنوان حدواسط‌های واکنش‌پذیر درنظر گرفته می‌شوند.

کربن که در تمامی شکل‌های حیات شناخته شده حضور دارد و اساس شیمی آلی است. زمانی که اتم کربن با اتم هیدروژن پیوند برقرار کند، شکل‌های متنوعی از هیدروکربن‌ها را تولید می‌کند که اهمیت زیادی برای صنایع به‌عنوان مبرد، روان‌کننده، حلال، ماده اولیه برای تولید پلاستیک و فراورده‌های پتروشیمی دارد و همچنین می‌توانند به‌عنوان سوخت‌های فسیلی استفاده شوند.

زمانی که کربن با اکسیژن و هیدروژن ترکیب شود، گروهی از ترکیبات بسیار مهم زیستی مانند قندها، لیگنان‌ها، الکل‌ها، چربی‌ها، استرهای آروماتیک، کاروتنوئیدها و ترپن‌ها را منجر می‌شوند. با حضور نیتروژن، آلکالوئیدها تشکیل می‌شوند و با حضور عنصری مانند گوگرد، ترکیباتی مانند آنتی‌بیوتیک‌ها، آمینواسیدها، و تولید ترکیباتی از لاستیک طبیعی ممکن می‌شود. چنان‌چه در ترکیبات آلی، علاوه بر عناصر قبلی، عنصر فسفر نیز حضور داشته باشد، امکان ساخته شدن دی‌ان‌ای (DNA) و آران‌ای (RNA)، به‌عنوان حاملان شیمیایی کدهای حیات، فراهم می‌شود. علاوه‌براین، با حضور گوگرد، تولید آدنوزین تری‌فسفات که مهم‌ترین مولکول حامل انرژی در تمامی سلول‌های زنده محسوب می‌شود، نیز امکان‌پذیر می‌شود.

ترکیبات معدنی[ویرایش]

کلسیت از جمله مواد معدنی مهمی است که حاوی گروه کربنات است.

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. البته تعریف ارائه شده کاملاً سخت‌گیرانه نیست و ممکن است طبقه‌بندی آلی و معدنی برای بعضی از ترکیبات بسته به دیدگاه یک پژوهشگر، کمی متفاوت باشد. 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.[۱۰۶] 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.[۱۰۷] با این‌حال اسید کربنیک قادر به تولید ساختار کربنات (CO۳) 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[۱۰۸] با این‌حال، به‌علت خواص فیزیکی و همچنین کاربرد آن در سنتز ترکیبات آلی، معمولاً از آن به‌عنوان یک حلال آلی یاد می‌شود.[۱۰۹]

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.[۱۱۰][۱۱۱] یون سیانید (CN) نیز رفتار مشابهی با کربن مونوکسید در برابر هموگلوبین از خود بروز می‌دهد، با این‌حال، سیانید بیشتر شبیه یک یون هالوژن (به‌صورت یک شبه‌هالوژن) عمل می‌نماید. برای مثال، دو یون سیانید می‌توانند مانند اتصال دو اتم هالوژن و تشکیل یک هالید دو اتمی، با اتصال به‌یکدیگر موجب تشکیل یک مولکول نیترید سیانوژن (۲(CN)) شوند. همچنین گونه سیافید (CP) که ساختار مشابهی با سیانید دارد، با این‌که حتی بسیاری از مشتقات ساده آن نیز بسیار ناپایدار هستند، به‌عنوان ترکیبی معدنی در نظر گرفته می‌شود. دیگر اکسیدهای کمتر مرسوم معدنی حاوی کربن عبارت‌اند از کربن سابوکسید (C۳O۲[۱۱۲] دی‌کربن منوکسید ناپایدار (C۲O)،[۱۱۳][۱۱۴] کربن تری‌اکسید (CO۳[۱۱۵][۱۱۶] سیکلوپنتان‌پنتون (C۵O۵[۱۱۷] سیکلوهگزان‌هگزون (C۶O۶)[۱۱۷] و انیدرید ملیتیک (C۱۲O۹). البته انیدرید ملتیک ناشی از واکنش آب‌گیری یک اسید ملتیک است و به‌علت داشتن حلقه بنزن، بسیاری از شیمی‌دان‌ها آن را ترکیبی آلی به‌شمار می‌آورند.

کربن می‌تواند با فلزات واکنش‌پذیر مانند تنگستن واکنش داده و با تشکیل کاربید (C۴) یا استیلید (۲-C۲) فلزی، موجب ایجاد آلیاژی با دمای ذوب بالا شود. این آنیون‌ها در واقع به‌ترتیب بازهای مزدوج اسیدهای ضعیفی مانند متان و استیلن محسوب می‌شوند. کربن با داشتن الکترنگاتیویته ۲٫۵، تمایل به تشکیل پیوند کووالانسی دارد.[۱۱۸] تعداد کمی از کاربیدها دارای شبکه کووالانسی هستند که یکی از مثال‌های آن کاربید سیلیسیوم (کربوراندوم) است که دارای ساختاری شبیه الماس است. با این‌حال، حتی قطبی‌ترین کاربیدها که ساختاری شبیه نمک‌ها دارند نیز ترکیباتی کاملاً یونی محسوب نمی‌شوند.[۱۱۹]

ترکیبات آلی فلزی[ویرایش]

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)، η۲-آلکان (مانند نمک زایس)، η۳-آلیل (مانند دیمر آلیل‌پالادیم کلریدمتالوسن‌های حاوی لیگاندهای سیکلوپنتادی‌انیل (مانند فروسن) و کمپلکس‌های کاربنی فلزات واسطه از مهم‌ترین مجموعه‌های این طیف وسیع هستند. ترکیبات فلزی زیادای دارای لیگاند کربونیل و سیانید (مانند نیکل تتراکربونیل و پتاسیم فری‌سیانید) وجود دارد که برخی از آن‌ها چنان‌چه فاقد سایر گروه‌های کربنی باشند، ترکیباتی کاملاً معدنی می‌دانند و آن‌ها را در خانواده آلی فلزی قرار نمی‌دهند. با این‌حال اغلب شیمی‌دان‌های متخصص در زمینه شیمی آلی فلزی، کمپلکس‌های فلزی، حتی مواردی که حاوی کربن معدنی هستند (مانند کربونیل‌ها، سیانیدها و برخی از انواع کاربیدها و استیلیدها) را ذاتاً ترکیباتی آلی فلزی می‌دانند. اغلب کمپلکس‌های حاوی لیگاندهای آلی که فاقد پیوند کربن-فلز از نوع کووالانسی هستند (مانند کمپلکس‌های فلز-کربوکسیلات‌ها) اصطلاحاً آلی فلزی خوانده می‌شوند.

در حالی‌که که درک عمومی بر این است که کربن دارای چهار ظرفیت برای ایجاد پیوند کووالانسی است، الگوهای نامعمول پیوندی دیگری نیز شناخته شده‌اند. کربوران‌ها دوازده وجهی‌هایی بسیار پایدار هستند که واحد اصلی ساختاری آن‌ها [B۱۲H۱۲] است که در آن یک گروه کاتیون کربن-هیدروژن (+CH)جایگزین بور-هیدروژن (BH) شده‌است؛ بنابراین، کربن در این ساختار به شش اتم دیگر (پنج بور و یک هیدروژن) متصل است. کاتیون [۶(Ph۳PAu)C] حاوی یکی کربن هشت وجهی متصل به شش واحد فسفر-طلا است. این پدیده به طلادوستی[q] لیگاندهای طلا نسبت داده شده‌است.[۱۲۰] در طبیعت، کوفاکتور آهن-مولیبدینیوم (FeMoco) عامل تثبیت میکروبی نیتروژن است. این ترکیب دارای یک کربن هشت وجهی مرکزی است که به شش اتم آهن متصل است. در سال ۲۰۱۶، تأیید شد که مطابق پیش‌بینی‌های قبلی، دی‌کاتیون هگزامتیل‌بنزن حاوی یک اتم کربن دارای شش پیوند است. به‌صورت دقیق‌تری، دی‌کاتیون می‌تواند با فرمول [MeC(η۵-C۵Me۵)] نمایش داده شود. این ترکیب، یک متالوسن آلی است که در آن بخش ۳+CMe از طریق تمامی پنج کربن حلقه پنج عضوی به یک واحد C۵Me۵−η۵- متصل شده‌است.[۱۲۱]

موضوع حائز اهمیت در مورد این نوع ترکیبات که در آن‌ها اتم کربن دارای پیوندهایی بیش از چهار عدد است این مورد است که هرکدام از پیوندهای متصل به کربن کمتر از دو الکترون جفت شده قراردادی را در خود جای داده‌اند؛ بنابراین تعداد قراردادی الکترون در هر یک از این گونه‌ها، قاعده هشت‌تایی را نقض نمی‌کند. در نتیجه این ترکیبات اگرچه فوق کئوردیناسیونی به‌شمار می‌آیند اما همچنان فوق ظرفیتی محسوب نمی‌شوند. حتی برای گونه‌هایی که توسط آکیبا[s] و همکاران او گزارش شده و در آن‌ها اتم کربن دارای پنج لیگاند و ده الکترون قراردادی است، نیز صادق است.[۱۲۲] محاسبات ساختاری الکترونی نشان می‌دهد که تعداد الکترون‌های حول کربن هنوز کمتر از هشت مورد هستند، موردی که برای ترکیبات دارای چهار الکترون و سه مرکز پیوندی (سه مرکزی-چهارالکترونی) رخ می‌دهد.

محصولات[ویرایش]

گرافیت، گرافیت ساختار لایه-لایه داشته و از قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت ۶ ضلعی منتظم پدید آمده‌است. گرافیت پایدارترین شکل کربن در شرایط استاندارد است.

گرافیت[ویرایش]

ذخایر طبیعی و به‌صورت تجاری در دسترس گرافیت در بخش‌های مختلفی از دنیا وجود دارند با این‌حال مهم‌ترین منابع تجاری گرافیت در مناطقی مانند چین، هند، برزیل و کره شمالی قرار دارد. ذخایر گرافیت حاصل از سنگ‌های دگرگونی هستند و همراه کوارتز، میکا، و فلدسپات در سنگ‌های دگرگونی شیست، گنیس و ماسه‌سنگ دگرگون‌شده یا به‌صورت توده‌ای یا لایه‌ای همراه با سنگ آهک، گاهی اوقات با ضخامتی بیش از چند متر یافت می‌شود. ذخایر گرافیت در بارودیل[t] در شهر کامبرلند انگلستان به‌اندازه‌ای خالص و مناسب بودند که تا قرن نوزدهم میلادی گرافیت مورد نیاز برای ساخت مداد، صرفاً با تراشیدن قطعات بزرگ و طبیعی گرافیت به‌صورت رشته‌های باریک تهیه شده‌است. امروزه، مقادیر کمتر گرافیت به‌وسیله خرد کردن سنگ‌های اصلی حاوی گرافیت و شناور کردن گرافیت سبک بر روی آب تهیه می‌شود.[۱۲۳]

گرافیت طبیعی به سه صورت وجود دارد: بی‌شکل، پوسته‌ای[u] یا پوسته‌ای بلوری و ورقه‌ای یا توده‌ای.[v] گرافیت بی‌شکل دارای کمترین کیفیت در بین انواع گرافیت طبیعی است و میزان فراوانی آن نیز از دو نوع دیگر بیشتر است. برخلاف محیط آکادمیک، که بی‌شکلی به معنای فقدان ساختار بلوری است، در صنعت بی‌شکلی یا آمورف بودن به ساختار دارای بلورهای بسیار کوچک اشاره دارد. گرافیت بی‌شکل برای تولید محصولات کم ارزش‌تر گرافیتی مصرف می‌شود و به‌همین دلیل این محصولات در مقایسه با سایر محصولات گرافیتی دارای کمترین قیمت هستند. مقادیر وسیعی از گرافیت بی‌شکل در چین، اروپا و ایالات متحده آمریکا یافت می‌شود. گرافیت پوسته‌ای از فروانی کم‌تری برخوردار است و همچنین از کیفیت بالاتری نسبت به گرافیت بی‌شکل برخورد است. این نوع گرافیت به صورت صفحات مجزا به صورت سنگ‌های دگرگون شده متبلور می‌شود. میزان ارزش گرافیت پوسته‌ای می‌تواند تا ۴ برابر ارزش گرافیت بی‌شکل باشد. کیفیت بهتر این نوع گرافیت موجب می‌شود که بتوان آن را با انجام پردازش مناسب برای کاربردهای متعددی مانند پیشگیرنده شعله استفاده کرد. بیش‌ترین ذخایر گرافیت پوسته‌ای در استرالیا، کانادا، برزیل، چین، آلمان و ماداگاسکار واقع شده‌است. گرافیت ورقه‌ای یا توده‌ای کم‌یاب‌ترین، باارزش‌ترین و در عین باکیفیت‌ترین نیز نوع گرافیت طبیعی محسوب می‌شود. تنها معدن تجاری متعلق به این نوع گرافیت، در سریلانکا قرار دارد.[۱۲۳]

بر اساس سازمان زمین‌شناسی آمریکا، تولید جهانی گرافیت طبیعی در سال ۲۰۱۰ برابر با ۱٫۱ میلیون تن بوده‌است. از این میان سهم چین ۸۰۰٬۰۰۰ تن، هند: ۱۳۰٬۰۰۰ تن، برزیل۷۶٬۰۰۰، کره شمالی ۳۰٬۰۰۰ و کانادا ۲۵٬۰۰۰ تن بوده‌است. تاکنون هیچ نوع معدن گرافیت طبیعی در ایالات متحده آمریکا گزارش نشده‌است، اما حدود۱۱۸٬۰۰۰ تن گرافیت مصنوعی به ارزش ۹۹۸ میلیون دلار در سال ۲۰۰۹ در این کشور تولید شده‌است.[۱۲۳]

الماس[ویرایش]

معادن تولید تولید الماس در سال ۲۰۰۵
الماس امید، از مشهورترین جواهرات جهان است
دستگاه بارس (BARS) که با کمک آن می‌توان با ایجاد فشار و دمای بالا، کانی‌های سنتزی مانند الماس مصنوعی تولید کرد.

چرخه تأمین الماس توسط تعداد معدودی از تاجران قدرت‌مند کنترل می‌شود و همان‌طور که در تصویر دیده می‌شود، این زنجیره در مناطق بسیار معدود و مشخصی از دنیا قرار دارد.

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 و 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. در گذشته و قبل از این‌که استفاده از اشعه ایکس رایج شود، جداسازی به عهده نقاله‌های آغشته به گریس بوده‌است. چون الماس تمایل زیادتری به چسبیدن به گریس در مقایسه با سایر کانی‌های موجود در سنگ معدن دارد، در نتیجه امکان جداسازی مناسب آن به این صورت وجود داشته‌است.[۱۲۴]

در گذشته، الماس‌ها تنها در ته‌نشست‌های رسوبی در جنوب هندوستان یافت می‌شدند.[۱۲۵] هند از حدود قرن نهم قبل از میلاد تا قرن هجدهم پس از میلاد، مهم‌ترین مکان تولید الماس در سرتاسر کره زمین بود، اما پتانسیل تجاری این منابع به‌مرور و تا پایان قرن هجدهم میلادی از بین رفت.[۱۲۶] زمانی که این اتفاق رخ داد، هند از لحاظ تولید الماس، تقریباً در سایه برزیل قرار گرفته بود که در آن‌جا، به‌عنوان اولین مکان خارج از هندوستان در سال ۱۷۲۵ الماس کشف شده بود.[۱۲۷]

تولید الماس از منابع اولیه (مانند کیمبرلیت و لمپرویت[w]) تا دهه ۱۸۷۰ میلادی آغاز نشده بود و این اتفاق بعد از کشف الماس در آفریقای جنوبی رخ داد. تولید به مرور افزایش یافت و امروز مجموع الماس استخراج شده از آن زمان تا به امروز، به بیش از ۴٫۵ میلیارد قیراط رسیده‌است.[۱۲۸] حدود ۲۰ درصد الماس استخراج شده تنها در پنج سال اخیر انجام شده‌است و در طول ده سال اخیر نه معدن جدید شروع به تولید کرده‌اند، در حالی‌که چهار معدن دیگر منتظر شروع کار هستند. اغلب این معادن در کانادا، زیمبابوه، آنگولا و یک مورد در روسیه هستند.[۱۲۸]

در ایالات متحده آمریکا، الماس‌ها در ایالت‌هایی مانند آرکانزاس، کلرادو و مونتانا یافت شده‌اند.[۱۲۹][۱۳۰] در سال ۲۰۰۴، کشفی خیره کننده از الماس‌های میکروسکوپی اتفاق افتاد[۱۳۱] که در نتیجه تا سال ۲۰۰۸، مقادیر زیادی از نمونه‌های کیمبرلیت در مناطق دور افتاده مونتانا استخراج شدند.[۱۳۲]

امروزه، اغلب ذخایر دارای قابلیت برداشت به‌صورت تجاری، در روسیه، استرالیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار گرفته‌اند.[۱۳۳] براساس گزارش بررسی زمین‌شناسی بریتانیا[x] در سال ۲۰۰۵، روسیه تقریباً یک پنجم الماس تهیه شده در سراسر دنیا را تولید کرده‌است. استرالیا دارای غنی‌ترین سنگ‌های معدنی حاوی الماس است و مطابق آمار، بیشینه تولید این کشور ۴۲ تن متریک در هر سال در دهه ۱۹۹۰ میلادی بوده‌است.[۱۲۹] علاوه‌بر این موارد، تعدادی ذخایر فعال در مناطق شمالی کانادا، سیبری (بیشتر در منطقه جمهوری یاقوتستان مانند معدن میر و گودال اوداچنایا)، برزیل و شمال و غرب استرالیا نیز وجود دارند.

الیاف کربن[ویرایش]

یک تار الیاف کربن ۶میکرونی در مقایسه با موی انسان

الیاف کربن یا الیاف گرافیت، الیافی با حدود ۵–۱۰ میکرومتر قطر هستند و بیشتر از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند. الیاف کربن دارای چندین مزیت از جمله سفتی بالا، استحکام کششی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل درجه حرارت 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. با این حال، آنها در مقایسه با الیاف مشابه، مانند الیاف شیشه‌ای یا الیاف پلاستیکی، نسبتاً گران هستند. در سال ۱۸۶۰، جوزف سوان برای نخستین بار الیاف کربن را برای استفاده در لامپ‌ها تولید کرد. در سال ۱۸۷۹، توماس ادیسون نخ‌های بامبو را در دماهای بالا حرارت داد و آنها را به یک رشته فیبر کربنی تبدیل کرد که در یکی از اولین لامپ‌های رشته‌ای قابل استفاده به‌کار رفتند و می‌توانستند براثر الکتریسیته گرم شده و تولید نور نمایند.[۱۳۴] در سال ۱۸۸۰، لوئیس لاتیمر یک رشته سیم کربن را برای لامپ رشته‌ای رشته‌ای تولید کرد که با برق گرم می‌شد.[۱۳۵]

گرافین[ویرایش]

ساختار شبکه شش ضلعی گرافین

گرافین یا گرافن[۱۳۶][۱۳۷] از دگرشکلهای کربن است. این ماده تشکیل‌شده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی است.[۱۳۸] که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند دارای هیبریداسیون sp2، به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است که این ساختار، ساختار اساسی تشکیل دهنده سایر دگرشکل‌ها از جمله گرافیت، زغال‌سنگ، نانولوله کربنی و فولرنها 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 کربن جدا می‌کند.[۱۳۹] در رابطه با ضخامت آن، تقریباً ۱۰۰ برابر قوی تر از فولاد است.[۱۴۰][۱۴۱] 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.[۱۴۲] گرافن همچنین یک دیامغناطیس است.[۱۴۳] محققان اثر ترانزیستور پیوندی دوقطبی، جریان پرتابیک و نوسانات کوانتومی زیادی را در مواد آن شناسایی کرده‌اند.[۱۴۴]

در ابتدا در سال ۱۹۶۲ در میکروسکوپ‌های الکترونی مشاهده شد، اما تنها در سطح فلز پشتیبانی می‌شد.[۱۴۵] سپس توسط آندره گایم فیزیک‌دان هلندی و کنستانتین نووسلف دانشمند روسی در سال ۲۰۰۴ در دانشگاه منچستر کشف شد که به خاطر این کشف جایزه نوبل فیزیک به آنها اهدا شد.[۱۳۸][۱۴۶][۱۴۷] جداسازی گرافن با کیفیت بالا به طرز شگفت‌آوری آسان است که این موضوع سبب می‌شود باعث می‌شود انجام تحقیقات بیشتر تسهیل شود.[۱۴۸]

نانولوله کربنی[ویرایش]

تصویر میکروسکوپ تونلی روبشی یک نانولوله کربنی تک دیواره

نانولوله‌های کربنی (CNTs) لوله‌هایی هستند که از کربن ساخته شده و قطرهایی در حد نانومتر دارند. نانولوله‌های کربنی به‌طور مستقل توسط دو گروه تحقیقاتی سومیو ایجیما و تویشناری ایچیهاشی[y] از ژاپن و دونالد بتهونه[z] از آمریکا کشف شدند.[۱۴۹] 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 شش ضلعی اتم‌های کربنی که در امتداد یکی از بردارهای شبکه براوه قرار گرفته‌اند تصور کرد تا یک استوانه توخالی شکل بگیرد.[۱۵۰] 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.[۱۵۱][۱۵۲] همچنین دارای کشش سطحی فوق‌العاده ای[۱۵۳] و هدایت حرارتی هستند.[۱۵۴][۱۵۵] به دلیل نانوساختار بودن و استحکام پیوندهای بین اتم‌های کربن. علاوه بر این، آنها می‌توانند از نظر شیمیایی اصلاح شوند.[۱۵۶] این خواص در بسیاری از زمینه‌های فناوری، از جمله الکترونیک، نورشناسی، مواد کامپوزیت، فناوری نانو می‌تواند کاربردی باشد.

فولرن C۶۰ به شکل محلول

فولرن[ویرایش]

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.[۱۵۷][۱۵۸] کشف فولرن‌ها باعث افزایش تعداد آلوتروپهای کربن شناخته شده شد که قبلاً محدود به گرافیت، الماس و کربن آمورف مانند دوده و زغال بود.[۱۵۹][۱۶۰] آنها به دلیل خواص شیمی و کاربردهای جدیدشان، خصوصاً در علم مواد، الکترونیک و فناوری نانو، مورد توجه تحقیقات جدی بوده‌اند.[۱۶۱]

فولرن باکمینستر یا توپ باکی یک مولکول کروی با فرمول C۶۰ است. این ماده اولین بار در سال ۱۹۸۵ توسط هارولد کروتو، جیمز هلت، شاون اٌبرین، رابرت کارل و ریچارد اسمالی در دانشگاه رایس ایالت تگزاس تهیه شد. کروتو، کارل و اسمالی در سال ۱۹۹۶ برای کشف فولرن باکمینستر و دسته‌بندی اطلاعات دربارهٔ آن جایزه نوبل شیمی را دریافت کردند.[۱۶۲] این ترکیب پایدار است.[۱۶۳] و در دمای بالا و فشارهای بالا مقاومت می‌کند. سطح مولکول ضمن حفظ هندسه کروی می‌تواند با گونه‌های دیگر واکنش نشان دهد.[۱۶۴]

کاربردها[ویرایش]

کربن عنصر لازم برای همه سیستم‌های زنده شناخته شده‌است، و بدون آن زندگی نمی‌تواند وجود داشته باشد. عمده استفاده اقتصادی از کربن به غیر از مواد غذایی و چوب به شکل هیدروکربن است که مهمترین آنها گاز متان سوخت فسیلی و نفت خام است. نفت خام توسط صنایع پتروشیمی در پالایشگاه‌ها تقطیر می‌شود تا بنزین، نفت سفید، گازوئیل، نفت کوره، قیر و دیگر فراورده‌های نفتی تولید کند. سلولز نوعی پلیمر طبیعی حاوی کربن است که توسط گیاهان به شکل چوب، پنبه، کتان و کنف تولید می‌شود. سلولز در درجه اول برای حفظ ساختار گیاهان استفاده می‌شود و ساختار اولیه دیواره سلولی گیاهان را تشکیل می‌دهد.

پلیمرهای کربن با ارزش تجاری با منشأ حیوانی شامل پشم، ترمه و ابریشم است. پلاستیکها از پلیمرهای کربن مصنوعی ساخته می‌شوند از فرایند پلیمریزاسیون به‌دست می‌آیند که غالباً با اتم‌های اکسیژن و نیتروژن در فواصل منظم در زنجیره پلیمر اصلی قرار می‌گیرند همچنین مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی از نفت خام تهیه می‌شود.

کاربرد کربن و ترکیبات آن بسیار متنوع است. کربن می‌تواند به همراه آهن تشکیل آلیاژهایی دهد که رایج‌ترین آنها فولاد کربنی است. از ترکیب گرافیت با رس برای ساخت انواع مداد جهت نوشتن و ترسیم استفاده می‌شود. مداد گرافیت از نظر نرمی و سختی بسته به ناخالصی و رس درجه‌بندی گسترده‌ای دارد. مغرهای مدادی که در مداد به کار می‌روند، بسته به میزان خاک رسی که با آن‌ها ترکیب می‌شود، دارای سختی متفاوتی هستند. همچنین به‌عنوان روان‌کننده و رنگدانه به‌عنوان ماده قالب‌گیری در تولید شیشه استفاده می‌شود. در الکترود برای باتری‌های خشک و در آبکاری و شکل‌دهی الکتریکی نیز کاربرد دارد. در جاروبک برای موتورهای الکتریکی و به‌عنوان یک آرام‌کننده نوترون در رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زغال به‌عنوان یک ماده ترسیم در کارهای هنری، پخت و پز، ذوب فلزات و کاربردهای دیگر و از چوب، زغال‌سنگ و نفت به‌عنوان سوخت برای تولید انرژی و گرمایش استفاده می‌شوند. از الماس با کیفیت در سنگ‌های قیمتی و جواهرات و از و الماسهای صنعتی در ابزارهای حفاری، برش و پولیش برای ماشین‌کاری فلزات و سنگ استفاده می‌شوند. همچنین از الیاف کربن یا فیبر کربن پلیمری تقویت شده که از پیرولیز الیاف پلی‌استر مصنوعی ساخته شده‌است برای تقویت پلاستیک‌ها برای تشکیل مواد کامپوزیتی سبک و پیشرفته، استفاده می‌شود.

فیبر کربن با استفاده از یک پلیمر پیش ساز مانند پلی‌اکریلونیترول[aa]، که از نفت تولید می‌شود و سایر مواد آلی ساخته می‌شود. برای پلیمرهای مصنوعی مانند پلی‌اکریلونیترول یا ابریشم مصنوعی، پیش ماده ابتدا به نخ‌های رشته‌ای تبدیل می‌شود، با استفاده از فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی، ابتدا زنجیره‌های پلیمری را به ترتیب برای بالا بردن خواص فیزیکی نهایی فیبر کربن تکمیل می‌کند. ساختار کریستالوگرافی و خصوصیات مکانیکی فیبر به نوع ماده شروع و پردازش بعدی بستگی دارد. الیاف کربن ساخته شده از پلی‌اکریلونیترول دارای ساختاری شبیه به رشته‌های باریک گرافیت هستند. در نتیجه تجزیه حرارتی الیافی با استحکام کششی ویژه بالاتر از فولاد به‌دست می‌آید.[۱۶۵]

از کربن سیاه به‌عنوان رنگ‌دانه سیاه در چاپ جوهر، رنگ روغن و رنگ‌های آبی، کاغذ کاربون، اتمام رنگ خودرو، مرکب هندی و گرد جوهر چاپگر لیزری همچنین به‌عنوان افزودنی‌های پلیمری در محصولات مانند لاستیک و در ترکیبات پلاستیکی استفاده می‌شود. زغال فعال به‌عنوان یک جاذب و جذب کننده سطحی در مواد فیلتردار در کاربردهایی مانند ماسک‌های گازی، خالص‌سازی آب و هود آشپزخانه و در پزشکی برای جذب زهرابه، سموم یا گازهای دستگاه گوارش استفاده می‌شود. کربن در کاهش شیمیایی در دماهای بالا استفاده می‌شود. از کُک برای کاهش سنگ آهن استفاده می‌شود. سختکاری پوسته فولاد با گرم کردن اجزای فولادی در پودر کربن حاصل می‌شود. کاربیدهای سیلیسیوم، تنگستن، بور و تیتانیوم از سخت‌ترین مواد شناخته شده هستند و به‌عنوان ساینده در ابزار برش و سنگ زنی استفاده می‌شوند. ترکیبات کربن بیشتر مواد مورد استفاده شده در در لباس مانند پارچه‌های طبیعی و مصنوعی و چرم را تشکیل می‌دهد و تقریباً تمام سطوح داخلی ساختمان به غیر از شیشه، سنگ و فلز از محصولات کربن هستند.

الماس‌ها[ویرایش]

تیغه الماس استفاده شده برای برشکاری با ماشین سنگ جت
سختی ویکرز یکی از معیارهای سختی است که بر اساس مقاومت مواد در برابر فرو روندهٔ هرمی شکل از جنس الماس سختی آن‌ها را تعیین می‌کند.

صنعت الماس در دو دسته متفاوت قرار می‌گیرد. دسته اول شامل الماس‌های با کیفیت می‌شود که برای استفاده در سنگهای قیمتی 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 هدایت 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[ab][توضیح ۵] شناخته می‌شوند، به‌عنوان سنگ‌های قیمتی مناسب نیستند و از آن‌ها برای مصارف صنعتی استفاده می‌شود.[۱۶۶] الماس مصنوعی، که در دهه ۱۹۵۰ اختراع شد، بلافاصله کاربردهای صنعتی پیدا کرد. سالانه ۳ میلیارد قیراط (۶۰۰ تن) الماس مصنوعی تولید می‌شود.[۱۶۷]

کاربرد صنعتی عمده الماس در برش، حفاری، سنگ زنی و پولیش است. بسیاری از این کاربردها نیازی به الماس‌های بزرگ ندارند. در حقیقت، بیشتر الماس‌های با اندازه کوچک، می‌توانند از نظر صنعتی استفاده شوند. الماس‌ها در نوک‌های مته یا تیغه‌های اره تعبیه شده‌اند، یا برای استفاده در ابزارهای سنگ زنی و پولیش، داخل پودر ریخته می‌شوند.[۱۶۸] کاربردی تخصصی آن استفاده در سلول سندان الماس شامل استفاده در آزمایشگاه‌ها به‌عنوان مهار آزمایش‌های فشار قوی، یاتاقان با کارایی بالا و استفاده محدود در پنجره‌های دارای کاربرد ویژه است.[۱۶۹][۱۷۰] با پیشرفت‌های مداوم در تولید الماس مصنوعی، کاربردهای جدیدتری نیز عملی می‌شوند. استفاده از الماس به‌عنوان نیم‌رسانا مناسب برای مدارهای مجتمع به دلیل ویژگی گرماگیری الکترونیک مورد توجه قرار گرفته‌است.[۱۷۱]

هموپرفیوژن[ویرایش]

اولین استفاده بالینی از سلول‌های مصنوعی در هموپرفیوژن توسط محصور کردن کربن فعال صورت گرفت.[۱۷۲] ذغال فعال قادر به جذب بسیاری از مولکول‌های بزرگ است و مدت زیادی است 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.[۱۷۳]

ایمنی و احتیاط[ویرایش]

بیماری سیاه‌ششی، نوعی بیمای ریوی است که به‌علت تنفس گرد و غبار زغال بدون سیلیس ایجاد و باعث التهاب مزمن می‌شود.
ساختار شیمیایی تترودوتوکسین، ترکیبی که در بدن ماهی بادکنکی به مقدار زیادی وجود دارد، سمیت آن به‌مراتب بیش‌تر از سیانور است و هنوز هیچ داروی مؤثری برای مقابله با آن وجود ندارد.[۱۷۴]

کربن خالص دارای سمیت فوق‌العاده پایین برای انسان است و می‌تواند در شکل‌های گرافیت و زغال توسط انسان به‌صورت ایمن لمس شود. کربن در مقابل حل شدن و یا واکنش‌های شیمیایی حتی موردی مانند هضم شدن توسط اسید موجود در دستگاه گوارشی انسان، از خود مقاومت نشان می‌دهد. در نتیجه زمانی که کربن وارد بافت‌های انسان شود، به احتمال بالا، به‌مدت نامعلومی همان‌جا خواهد ماند. کربن سیاه احتمالاً یکی از اولین رنگ‌دانه‌هایی بوده‌است که برای خالکوبی مورد استفاده قرار گرفته‌است. یکی از مثال‌های این موضوع خالکوبی‌های یافت شده بر روی بدن یک مومیایی طبیعی معروف به اوتسی مرد یخی است که قدمت آن به حدود ۵۲۰۰ سال قبل می‌رسد.[۱۷۵] استنشاق ذرات غبار زغال‌سنگ و یا دوده (کربن سیاه) در مقادیر زیاد می‌تواند خطرناک باشد و موجب تحریک بافت ریه و منجر به بیماری نارسایی ریه شود، موضوعی که به‌خصوص در معدن‌چیان دیده می‌شود و به بیماری سیاه‌ششی موسوم است. از ذرات غبار الماس برای ساییدن سایر مواد استفاده می‌شود، با این‌حال چنان‌چه این ذرات استنشاق و یا بلعیده شوند، می‌توانند برای انسان خطرناک باشند. میکروذرات کربنی که در دود خارج شده از موتورهای دیزلی وجود دارند، ممکن است در ریه انسان تجمع پیدا کنند.[۱۷۶] در همه مثال‌هایی که تا این‌جا ذکر شد، زیان احتمالی حاصل ناشی از تجمع ذرات در بدن فرد بودند و ماهیت شیمیایی خود کربن عامل آن نبود.

به‌طور عمومی، کربن دارای سمیت پایینی برای حیات موجود بر روی زمین است، با این‌حال، نانولوله‌ها کربنی برای مگس سرکه کشنده محسوب می‌شوند.[۱۷۷] کربن ممکن است در حضور هوا و در دمای بالا، باشدت و به‌صورت نورانی بسوزد. مقادیر زیاد از زغال‌سنگ که در غیاب اکسیژن برای چند صد میلیون سال به‌صورت خنثی باقی مانده‌اند، ممکن است زمانی که بر اثر حفر معادن در معرض هوا قرار بگیرند، دچار احتراق خودبخودی شوند.[۱۷۸][۱۷۹]

در مصارف هسته‌ای که از گرافیت به‌عنوان یک تعدیل‌کننده نوترون استفاده می‌شود، پس از انباشت انرژی ویگنر[ac] ممکن است یک آزادسازی ناگهانی و خودبخودی رخ دهد. پخت تا دمای ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد، می‌تواند انرژی را به‌صورت ایمنی آزاد نماید، اگرچه این فرایند در حادثه آتش‌سوزی واینداسکیل[ad] در سال ۱۹۵۷ در انگلیس، به‌خوبی پیش نرفت و منجر به آتش‌سوزی راکتورهای دیگر شد.[۱۸۰][۱۸۱]

گستره وسیعی از ترکیبات کربنی دارای خطرات و البته فواید زیاد وجود دارند از ترکیبات خطرناکی مانند سم‌های کشنده‌ای همچون تترودوتوکسین، پروتئین لکتین رایسین که از دانه‌های کرچک به‌دست می‌آیند، سیانید و کربن مونوکسید تا ترکیبات ضروری برای حیات مانند گلوکز و پروتئین‌ها.

پیوند سه‌گانه کربن با نیتروژن، موجب تشکیل گروه سیانو (CN) می‌شود. در شیمی آلی، گروه سیانو به‌عنوان یک گروه عاملی در نظر گرفته می‌شود و مولکول‌های حاوی آن نیتریل نامیده می‌شوند. در شیمی معدنی، به گروه‌های سیانو که یک آنیون محسوب می‌شوند، سیانید گفته می‌شود. نمک‌هایی مانند سدیم سیانید و پتاسیوم سیانید بسیار سمی هستند.[۱۸۲] هیدروژن سیانید یک مایع بسیار فرار است که در مقیاس بزرگ، به‌صورت صنعتی تولید می‌شود و با کمک افزودن اسید به نمک سیانید به‌دست می‌آید. برخلاف سیانیدها که دارای پیوند یونی هستند و امکان آزاد سازی یون سیانید را دارند، نیتریل‌ها به‌دلیل پیوند کووالانسی میان گروه سیانو و کربن، فاقد چنین توانایی هستند و درنتیجه دارای سمیت کمتری نسبت به نمک‌های سیانید دارند. مسمومیت با سیانید مسمومیت ناشی از قرار گرفتن در معرض سیانور است.[۱۸۳] علائم اولیه مسمومیت شامل سردرد، سرگیجه، ضربان سریع قلب، تنگی نفس و استفراغ است.[۱۸۴] همچنین ممکن است به‌دنبال آن تشنج، ضربان آهسته قلب، فشار خون پایین، از دست دادن هوشیاری و ایست قلبی رخ دهد. شروع علائم معمولاً طی چند دقیقه بروز می‌کند و اگر شخصی زنده بماند، ممکن است دچار مشکلات عصبی طولانی مدت گردد.[۱۸۴][۱۸۵]

توضیحات[ویرایش]

  1. هسته دارای هاله، به هسته‌ای گفته می‌شود که توسط ابری هاله مانند از پروتون و یا نوترون احاطه شده‌است و درنتیجه بزرگ‌تر از یک هسته معمولی و فاقد هاله دیده می‌شود
  2. ستارگانی که فقط شامل هیدروژن و هلیوم نیستند و عناصر سنگین‌تر مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن و نئون نیز در آن‌ها یافت می‌شود.
  3. روش اخترشناسی زیرمیلی‌متری روشی است که به بررسی بسیار ظریف طیف‌های نشری به‌دست آمده از مولکول‌های موجود در فضای خارجی می‌نماید.
  4. در شیمی، کاتناسیون به خصلتی گفته می‌شود که اتم‌های یکسان با یک‌دیگر پیوند برقرار کنند و تشکیل یک سری یا زنجیره از پیوندهای متشکل از اتم‌های یکسان را بدهند.
  5. اصطلاحی در صنعت تجارت الماس است که به قطعات ریز و خرده الماس غیرزینتی اشاره دارد.

واژه‌نامه[ویرایش]

  1. Carbo
  2. γράφειν
  3. King of the elements
  4. Aerial acid
  5. C. A. Vandermonde
  6. Carbone
  7. Carbonum
  8. Superlubricity
  9. Amorphous carbon
  10. Q-carbon
  11. Part Per Million (ppm)
  12. Part Per Trillion (ppt)
  13. Nuclear halo
  14. Submillimetre astronomy
  15. Ring strain
  16. Catenation
  17. Aurophilicity
  18. Antiknock agent
  19. Akiba
  20. Borrowdale
  21. Flake
  22. Vein or lump
  23. Lamproite
  24. British Geological Survey
  25. Toshinari Ichihashi
  26. Donald S. Bethune
  27. Polyacrylonitrile
  28. Bort
  29. Wigner effect
  30. Windscale fire

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Haaland, D (1976). "Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon". Carbon. 14 (6): 357–361. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ Savvatimskiy, A (2005). "Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)". Carbon. 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
  4. "Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical" (PDF). Retrieved 2007-12-06.
  5. "Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP" (PDF). Retrieved 2007-12-06.
  6. "Carbon: Binary compounds". Retrieved 2007-12-06.
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ ۷٫۳ ۷٫۴ Properties of diamond, Ioffe Institute Database
  8. "Material Properties- Misc Materials". www.nde-ed.org. Retrieved 12 November 2016.
  9. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  10. Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
  11. "History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky". Caer.uky.edu. Retrieved 2008-09-12.
  12. Senese, Fred (2000-09-09). "Who discovered carbon?". Frostburg State University. Retrieved 2007-11-24.
  13. «Carbon».Retrieved 2020-07-09.
  14. "Chinese made first use of diamond". BBC News. 17 May 2005. Archived from the original on 20 March 2007. Retrieved 2007-03-21.
  15. van der Krogt, Peter. "Carbonium/Carbon at Elementymology & Elements Multidict". Archived from the original on 2010-01-23. Retrieved 2010-01-06.
  16. Ferchault de Réaumur, R. -A. (1722). L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé (English translation from 1956). Paris, Chicago.
  17. "Carbon". Canada Connects. Archived from the original on 2010-10-27. Retrieved 2010-12-07.
  18. Senese, Fred. "Who discovered carbon?". Frostburg State University. Archived from the original on 2007-12-07. Retrieved 2007-11-24.
  19. Giolitti, Federico (1914). The Cementation of Iron and Steel. McGraw-Hill Book Company, inc. Archived from the original on 10 June 2020. Retrieved 25 June 2020.
  20. Senese, Fred (2000-09-09). "Who discovered carbon". Frostburg State University. Archived from the original on 2007-12-07. Retrieved 2007-11-24.
  21. Kroto, H. W.; Heath, J. R.; O'Brien, S. C.; Curl, R. F.; Smalley, R. E. (1985). "C60: Buckminsterfullerene". Nature. 318 (6042): 162–163. Bibcode:1985Natur.318..162K. doi:10.1038/318162a0.
  22. ۲۲٫۰ ۲۲٫۱ ۲۲٫۲ Unwin, Peter. "Fullerenes(An Overview)". Archived from the original on 2007-12-01. Retrieved 2007-12-08.
  23. "The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes"". Archived from the original on 2007-10-11. Retrieved 2007-12-21.
  24. ۲۴٫۰ ۲۴٫۱ ۲۴٫۲ Harris, PJF (2004). "Fullerene-related structure of commercial glassy carbons" (PDF). Philosophical Magazine. 84 (29): 3159–3167. Bibcode:2004PMag...84.3159H. CiteSeerX 10.1.1.359.5715. doi:10.1080/14786430410001720363. Archived from the original (PDF) on 2012-03-19. Retrieved 2011-07-06.
  25. Chemistry Operations (December 15, 2003). "Carbon". Los Alamos National Laboratory. Archived from the original on 2008-09-13. Retrieved 2008-10-09.
  26. Greenville Whittaker, A. (1978). "The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point". Nature. 276 (5689): 695–696. Bibcode:1978Natur.276..695W. doi:10.1038/276695a0.
  27. Zazula, J. M. (1997). "On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam" (PDF). CERN. Archived from the original (PDF) on 2009-03-25. Retrieved 2009-06-06.
  28. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. 289–292. ISBN 0080379419
  29. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. 276–278. ISBN 0080379419
  30. "Why is Carbon the Key to Life (On Earth, Anyway)". ACS. Retrieved 2020-07-23.
  31. "Four Characteristics of Carbon". Sciencing. Retrieved 2020-07-23.
  32. "Using Carbon to Extract Metals". Study. Retrieved 2020-07-23.
  33. Irifune, Tetsuo; Kurio, Ayako; Sakamoto, Shizue; Inoue, Toru; Sumiya, Hitoshi (2003). "Materials: Ultrahard polycrystalline diamond from graphite". Nature. 421 (6923): 599–600. Bibcode:2003Natur.421..599I. doi:10.1038/421599b. PMID 12571587.
  34. Dienwiebel, Martin; Verhoeven, Gertjan; Pradeep, Namboodiri; Frenken, Joost; Heimberg, Jennifer; Zandbergen, Henny (2004). "Superlubricity of Graphite" (PDF). Physical Review Letters. 92 (12): 126101. Bibcode:2004PhRvL..92l6101D. doi:10.1103/PhysRevLett.92.126101. PMID 15089689. Archived from the original (PDF) on 2011-09-17.
  35. Deprez, N.; McLachan, D. S. (1988). "The analysis of the electrical conductivity of graphite conductivity of graphite powders during compaction". Journal of Physics D: Applied Physics. 21 (1): 101–107. Bibcode:1988JPhD...21..101D. doi:10.1088/0022-3727/21/1/015.
  36. Collins, A. T. (1993). "The Optical and Electronic Properties of Semiconducting Diamond". Philosophical Transactions of the Royal Society A. 342 (1664): 233–244. Bibcode:1993RSPTA.342..233C. doi:10.1098/rsta.1993.0017.
  37. Delhaes, P. (2001). Graphite and Precursors. CRC Press. ISBN 978-90-5699-228-6.
  38. ۳۸٫۰ ۳۸٫۱ Ebbesen, T. W., ed. (1997). Carbon nanotubes—preparation and properties. Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-0-8493-9602-1.
  39. ۳۹٫۰ ۳۹٫۱ Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Avouris, Ph., eds. (2001). Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications. Topics in Applied Physics. 80. Berlin. ISBN 978-3-540-41086-7.
  40. ۴۰٫۰ ۴۰٫۱ Nasibulin, Albert G.; Pikhitsa, P. V.; Jiang, H.; Brown, D. P.; Krasheninnikov, A. V.; Anisimov, A. S.; Queipo, P.; Moisala, A.; et al. (2007). "A novel hybrid carbon material". Nature Nanotechnology. 2 (3): 156–161. Bibcode:2007NatNa...2..156N. doi:10.1038/nnano.2007.37. PMID 18654245.
  41. Nasibulin, A.; Anisimov, Anton S.; Pikhitsa, Peter V.; Jiang, Hua; Brown, David P.; Choi, Mansoo; Kauppinen, Esko I. (2007). "Investigations of NanoBud formation". Chemical Physics Letters. 446 (1): 109–114. Bibcode:2007CPL...446..109N. doi:10.1016/j.cplett.2007.08.050.
  42. Vieira, R; Ledoux, Marc-Jacques; Pham-Huu, Cuong (2004). "Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C2H6/H2 over nickel catalyst". Applied Catalysis A: General. 274 (1–2): 1–8. doi:10.1016/j.apcata.2004.04.008.
  43. ۴۳٫۰ ۴۳٫۱ Clifford, Frondel; Marvin, Ursula B. (1967). "Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond". Nature. 214 (5088): 587–589. Bibcode:1967Natur.214..587F. doi:10.1038/214587a0.
  44. Rode, A. V.; Hyde, S. T.; Gamaly, E. G.; Elliman, R. G.; McKenzie, D. R.; Bulcock, S. (1999). "Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation". Applied Physics A: Materials Science & Processing. 69 (7): S755–S758. Bibcode:1999ApPhA..69S.755R. doi:10.1007/s003390051522.
  45. ۴۵٫۰ ۴۵٫۱ Heimann, Robert Bertram; Evsyukov, Sergey E. & Kavan, Ladislav (28 February 1999). Carbyne and carbynoid structures. Springer. pp. 1–. ISBN 978-0-7923-5323-2. Archived from the original on 23 November 2012. Retrieved 2011-06-06.
  46. Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science. 321 (5887): 385–8. Bibcode:2008Sci...321..385L. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. Lay summary.
  47. Sanderson, Bill (2008-08-25). "Toughest Stuff Known to Man: Discovery Opens Door to Space Elevator". nypost.com. Archived from the original on 2008-09-06. Retrieved 2008-10-09.
  48. Jin, Zhong; Lu, Wei; O’Neill, Kevin J.; Parilla, Philip A.; Simpson, Lin J.; Kittrell, Carter; Tour, James M. (2011-02-22). "Nano-Engineered Spacing in Graphene Sheets for Hydrogen Storage". Chemistry of Materials. 23 (4): 923–925. doi:10.1021/cm1025188. ISSN 0897-4756.
  49. Jenkins, Edgar (1973). The polymorphism of elements and compounds. Taylor & Francis. p. 30. ISBN 978-0-423-87500-3. Archived from the original on 2012-11-23. Retrieved 2011-05-01.
  50. "World of Carbon – Interactive Nano-visulisation in Science & Engineering Education (IN-VSEE)". Archived from the original on 2001-05-31. Retrieved 2008-10-09.
  51. Rossini, F. D.; Jessup, R. S. (1938). "Heat and Free Energy of Formation of Carbon Dioxide and of the Transition Between Graphite and Diamond". Journal of Research of the National Bureau of Standards. 21 (4): 491. doi:10.6028/jres.021.028.
  52. Schewe, Phil & Stein, Ben (March 26, 2004). "Carbon Nanofoam is the World's First Pure Carbon Magnet". Physics News Update. 678 (1). Archived from the original on March 7, 2012.
  53. Itzhaki, Lior; Altus, Eli; Basch, Harold; Hoz, Shmaryahu (2005). "Harder than Diamond: Determining the Cross-Sectional Area and Young's Modulus of Molecular Rods". Angew. Chem. Int. Ed. 44 (45): 7432–5. doi:10.1002/anie.200502448. PMID 16240306.
  54. "Researchers Find New Phase of Carbon, Make Diamond at Room Temperature". news.ncsu.edu. 2015-11-30. Archived from the original on 2016-04-06. Retrieved 2016-04-06.
  55. ۵۵٫۰ ۵۵٫۱ ۵۵٫۲ Hoover, Rachel (21 February 2014). "Need to Track Organic Nano-Particles Across the Universe? NASA's Got an App for That". NASA. Archived from the original on 6 September 2015. Retrieved 2014-02-22.
  56. Lauretta, D.S.; McSween, H.Y. (2006). Meteorites and the Early Solar System II. Space science series. University of Arizona Press. p. 199. ISBN 978-0-8165-2562-1. Archived from the original on 2017-11-22. Retrieved 2017-05-07.
  57. Mark, Kathleen (1987). Meteorite Craters. University of Arizona Press. ISBN 978-0-8165-0902-7.
  58. "Online Database Tracks Organic Nano-Particles Across the Universe". Sci Tech Daily. February 24, 2014. Archived from the original on March 18, 2015. Retrieved 2015-03-10.
  59. William F McDonough The composition of the Earth بایگانی‌شده در ۲۰۱۱-۰۹-۲۸ توسط Wayback Machine in Majewski, Eugeniusz (2000). Earthquake Thermodynamics and Phase Transformation in the Earth's Interior. ISBN 978-0-12-685185-4.
  60. Swanston, C. (June 2017). "Global Carbon". NASA. Retrieved 30 July 2020.
  61. Yinon Bar-On; et al. (Jun 19, 2018). "The biomass distribution on Earth". PNAS. 115 (25): 6506–6511. doi:10.1073/pnas.1711842115. PMC 6016768. PMID 29784790.
  62. Fred Pearce (2014-02-15). "Fire in the hole: After fracking comes coal". New Scientist. 221 (2956): 36–41. Bibcode:2014NewSc.221...36P. doi:10.1016/S0262-4079(14)60331-6. Archived from the original on 2015-03-16.
  63. "Wonderfuel: Welcome to the age of unconventional gas" بایگانی‌شده در ۲۰۱۴-۱۲-۰۹ توسط Wayback Machine by Helen Knight, New Scientist, 12 June 2010, pp. 44–7.
  64. Ocean methane stocks 'overstated' بایگانی‌شده در ۲۰۱۳-۰۴-۲۵ توسط Wayback Machine, BBC, 17 Feb. 2004.
  65. "Ice on fire: The next fossil fuel" بایگانی‌شده در ۲۰۱۵-۰۲-۲۲ توسط Wayback Machine by Fred Pearce, New Scientist, 27 June 2009, pp. 30–33.
  66. Calculated from file global.1751_2008.csv in "Index of /ftp/ndp030/CSV-FILES". Archived from the original on 2011-10-22. Retrieved 2011-11-06. from the Carbon Dioxide Information Analysis Center.
  67. Rachel Gross (Sep 21, 2013). "Deep, and dank mysterious". New Scientist: 40–43. Archived from the original on 2013-09-21.
  68. Stefanenko, R. (1983). Coal Mining Technology: Theory and Practice. Society for Mining Metallurgy. ISBN 978-0-89520-404-2.
  69. Kasting, James (1998). "The Carbon Cycle, Climate, and the Long-Term Effects of Fossil Fuel Burning". Consequences: The Nature and Implication of Environmental Change. 4 (1). Archived from the original on 2008-10-24.
  70. "World graphite reserves as of 2019, by country". Statista. Retrieved 30 July 2020.
  71. "Major countries in worldwide graphite mine production from 2015 to 2019". Statista. Retrieved 30 July 2020.
  72. "Countries with the largest diamond reserves as of 2019 (in million carats)". Statista. Retrieved 30 July 2020.
  73. "Major countries in worldwide industrial diamond mine production from 2014 to 2019 (in million carats)". Statista. Retrieved 30 July 2020.
  74. "Industrial Diamonds Statistics and Information". United States Geological Survey. Retrieved May 5, 2009.
  75. "Carbon-14 formation". Archived from the original on 1 August 2015. Retrieved 13 October 2014.
  76. Aitken, M.J. (1990). Science-based Dating in Archaeology. pp. 56–58. ISBN 978-0-582-49309-4.
  77. Nichols, Charles R. "Voltatile Products from Carbonaceous Asteroids" (PDF). UAPress.Arizona.edu. Archived from the original (PDF) on 2 July 2016. Retrieved 12 November 2016.
  78. ۷۸٫۰ ۷۸٫۱ "Carbon: isotope data". Webelements. Retrieved 30 July 2020.
  79. Gannes, Leonard Z.; Del Rio, Carlos Martı́nez; Koch, Paul (1998). "Natural Abundance Variations in Stable Isotopes and their Potential Uses in Animal Physiological Ecology". Comparative Biochemistry and Physiology – Part A: Molecular & Integrative Physiology. 119 (3): 725–737. doi:10.1016/S1095-6433(98)01016-2. PMID 9683412.
  80. "Official SI Unit definitions". Archived from the original on 2007-10-14. Retrieved 2007-12-21.
  81. R. M. Silverstein; G. C. Bassler; T. C. Morrill (1991). Spectrometric Identification of Organic Compounds. Wiley.
  82. Bowman, S. (1990). Interpreting the past: Radiocarbon dating. British Museum Press. ISBN 978-0-7141-2047-8.
  83. Brown, Tom (March 1, 2006). "Carbon Goes Full Circle in the Amazon". Lawrence Livermore National Laboratory. Archived from the original on September 22, 2008. Retrieved 2007-11-25.
  84. Libby, W. F. (1952). Radiocarbon dating. Chicago University Press and references therein.
  85. Westgren, A. (1960). "The Nobel Prize in Chemistry 1960". Nobel Foundation. Archived from the original on 2007-10-25. Retrieved 2007-11-25.
  86. "Use query for carbon-8". barwinski.net. Archived from the original on 2005-02-07. Retrieved 2007-12-21.
  87. Watson, A. (1999). "Beaming Into the Dark Corners of the Nuclear Kitchen". Science. 286 (5437): 28–31. doi:10.1126/science.286.5437.28.
  88. Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (1997). "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties" (PDF). Nuclear Physics A. 624 (1): 1–124. Bibcode:1997NuPhA.624....1A. doi:10.1016/S0375-9474(97)00482-X. Archived from the original (PDF) on 2008-09-23.
  89. Ostlie, Dale A. & Carroll, Bradley W. (2007). An Introduction to Modern Stellar Astrophysics. San Francisco (CA): Addison Wesley. ISBN 978-0-8053-0348-3.
  90. Whittet, Douglas C. B. (2003). Dust in the Galactic Environment. CRC Press. pp. 45–46. ISBN 978-0-7503-0624-9.
  91. Pikelʹner, Solomon Borisovich (1977). Star Formation. Springer. p. 38. ISBN 978-90-277-0796-3. Archived from the original on 2012-11-23. Retrieved 2011-06-06.
  92. Falkowski, P.; Scholes, R. J.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; et al. (2000). "The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System". Science. 290 (5490): 291–296. Bibcode:2000Sci...290..291F. doi:10.1126/science.290.5490.291. PMID 11030643.
  93. Smith, T. M.; Cramer, W. P.; Dixon, R. K.; Leemans, R.; Neilson, R. P.; Solomon, A. M. (1993). "The global terrestrial carbon cycle". Water, Air, & Soil Pollution. 70 (1–4): 19–37. Bibcode:1993WASP...70...19S. doi:10.1007/BF01104986.
  94. Loudon, Marc (2009). Organic Chemistry. Roberts and Company Publishers. p. 39. ISBN 978-0-9815194-3-2.
  95. Kobashi, Koji (2005), "2.1 Structure of diamond", Diamond films: chemical vapor deposition for oriented and heteroepitaxial growth, Elsevier, p. 9, ISBN 978-0-08-044723-0.
  96. Delhaes, Pierre (2000). "Polymorphism of carbon". In Delhaes, Pierre. Graphite and precursors. Gordon & Breach. pp. 1–24. ISBN 9789056992286.
  97. Pierson, Hugh O. (2012). Handbook of carbon, graphite, diamond, and fullerenes: properties, processing, and applications. Noyes Publications. pp. 40–41. ISBN 978-0-8155-1739-9.
  98. Chung, D. D. L. (2002). "Review Graphite". Journal of Materials Science. 37 (8): 1475–1489. doi:10.1023/A:1014915307738.
  99. Wyckoff, W.G. (1963). Crystal Structures. New York, London: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-88275-800-8.
  100. Lipson, H.; Stokes, A. R. (1942). "A New Structure of Carbon". Nature. 149 (3777): 328. Bibcode:1942Natur.149Q.328L. doi:10.1038/149328a0.
  101. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "Rhombohedral graphite".
  102. March, Jerry (1985), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (3rd ed.), New York: Wiley, ISBN 0-471-85472-7
  103. McMurry, John (2015). Organic Chemistry. Cengage Learning. p. 263. ISBN 978-1-305-08048-5.
  104. Pyykkö, Pekka; Riedel, Sebastian; Patzschke, Michael (2005). "Triple-Bond Covalent Radii". Chemistry: A European Journal. 11 (12): 3511–20. doi:10.1002/chem.200401299. PMID 15832398.
  105. Burrows, A.; Holman, J.; Parsons, A.; Pilling, G.; Price, G. (2017). Chemistry3: Introducing Inorganic, Organic and Physical Chemistry. Oxford University Press. p. 70. ISBN 978-0-19-873380-5. Archived from the original on 2017-11-22. Retrieved 2017-05-07.
  106. Levine, Joel S.; Augustsson, Tommy R.; Natarajan, Murali (1982). "The prebiological paleoatmosphere: stability and composition". Origins of Life and Evolution of Biospheres. 12 (3): 245–259. Bibcode:1982OrLi...12..245L. doi:10.1007/BF00926894. PMID 7162799.
  107. Loerting, T.; et al. (2001). "On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid". Angew. Chem. Int. Ed. 39 (5): 891–895. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E. PMID 10760883.
  108. Greenwood and Earnshaw, pp. 289–292.
  109. "Carbon disulfide - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. Archived from the original on 9 May 2020. Retrieved 2018-03-07.
  110. Haldane J. (1895). "The action of carbonic oxide on man". Journal of Physiology. 18 (5–6): 430–462. doi:10.1113/jphysiol.1895.sp000578. PMID 16992272.
  111. Gorman, D.; Drewry, A.; Huang, Y. L.; Sames, C. (2003). "The clinical toxicology of carbon monoxide". Toxicology. 187 (1): 25–38. doi:10.1016/S0300-483X(03)00005-2. PMID 12679050.
  112. "Compounds of carbon: carbon suboxide". Archived from the original on 2007-12-07. Retrieved 2007-12-03.
  113. Bayes, K. (1961). "Photolysis of Carbon Suboxide". Journal of the American Chemical Society. 83 (17): 3712–3713. doi:10.1021/ja01478a033.
  114. Anderson D. J.; Rosenfeld, R. N. (1991). "Photodissociation of Carbon Suboxide". Journal of Chemical Physics. 94 (12): 7852–7867. Bibcode:1991JChPh..94.7857A. doi:10.1063/1.460121.
  115. Sabin, J. R.; Kim, H. (1971). "A theoretical study of the structure and properties of carbon trioxide". Chemical Physics Letters. 11 (5): 593–597. Bibcode:1971CPL....11..593S. doi:10.1016/0009-2614(71)87010-0.
  116. Moll N. G.; Clutter D. R.; Thompson W. E. (1966). "Carbon Trioxide: Its Production, Infrared Spectrum, and Structure Studied in a Matrix of Solid CO2". Journal of Chemical Physics. 45 (12): 4469–4481. Bibcode:1966JChPh..45.4469M. doi:10.1063/1.1727526.
  117. ۱۱۷٫۰ ۱۱۷٫۱ Fatiadi, Alexander J.; Isbell, Horace S.; Sager, William F. (1963). "Cyclic Polyhydroxy Ketones. I. Oxidation Products of Hexahydroxybenzene (Benzenehexol)" (PDF). Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A. 67A (2): 153–162. doi:10.6028/jres.067A.015. PMC 6640573 Check |pmc= value (help). PMID 31580622. Archived from the original (PDF) on 2009-03-25. Retrieved 2009-03-21.
  118. Pauling, L. (1960). The Nature of the Chemical Bond (3rd ed.). Ithaca, NY: Cornell University Press. p. 93. ISBN 978-0-8014-0333-0. Archived from the original on 10 June 2020. Retrieved 26 June 2020.
  119. Greenwood and Earnshaw, pp. 297–301
  120. Scherbaum, Franz; et al. (1988). ""Aurophilicity" as a consequence of Relativistic Effects: The Hexakis(triphenylphosphaneaurio)methane Dication [(Ph3PAu)6C]2+". Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (11): 1544–1546. doi:10.1002/anie.198815441.
  121. Ritter, Stephen K. "Six bonds to carbon: Confirmed". Chemical & Engineering News. Archived from the original on 2017-01-09.
  122. Yamashita, Makoto; Yamamoto, Yohsuke; Akiba, Kin-ya; Hashizume, Daisuke; Iwasaki, Fujiko; Takagi, Nozomi; Nagase, Shigeru (2005-03-01). "Syntheses and Structures of Hypervalent Pentacoordinate Carbon and Boron Compounds Bearing an Anthracene Skeleton − Elucidation of Hypervalent Interaction Based on X-ray Analysis and DFT Calculation". Journal of the American Chemical Society. 127 (12): 4354–4371. doi:10.1021/ja0438011. ISSN 0002-7863. PMID 15783218.
  123. ۱۲۳٫۰ ۱۲۳٫۱ ۱۲۳٫۲ USGS Minerals Yearbook: Graphite, 2009 بایگانی‌شده در ۲۰۰۸-۰۹-۱۶ توسط Wayback Machine and Graphite: Mineral Commodity Summaries 2011
  124. Harlow, G. E. (1998). The nature of diamonds. Cambridge University Press. p. 223. ISBN 978-0-521-62935-5.
  125. Catelle, W. R. (1911). The Diamond. John Lane Company. p. 159. discussion on alluvial diamonds in India and elsewhere as well as earliest finds
  126. Ball, V. (1881). Diamonds, Gold and Coal of India. London, Truebner & Co. Archived from the original on 24 October 2012. Retrieved 26 June 2020. Ball was a Geologist in British service. Chapter I, Page 1
  127. Hershey, J. W. (1940). The Book Of Diamonds: Their Curious Lore, Properties, Tests And Synthetic Manufacture. Kessinger Pub Co. p. 28. ISBN 978-1-4179-7715-4.
  128. ۱۲۸٫۰ ۱۲۸٫۱ Janse, A. J. A. (2007). "Global Rough Diamond Production Since 1870". Gems and Gemology. XLIII (Summer 2007): 98–119. doi:10.5741/GEMS.43.2.98.
  129. ۱۲۹٫۰ ۱۲۹٫۱ Lorenz, V. (2007). "Argyle in Western Australia: The world's richest diamantiferous pipe; its past and future". Gemmologie, Zeitschrift der Deutschen Gemmologischen Gesellschaft. 56 (1/2): 35–40.
  130. "Microscopic diamond found in Montana". The Montana Standard. 2004-10-17. Archived from the original on 2005-01-21. Retrieved 2008-10-10.
  131. Cooke, Sarah (2004-10-19). "Microscopic Diamond Found in Montana". Livescience.com. Archived from the original on 2008-07-05. Retrieved 2008-09-12.
  132. "Delta News / Press Releases / Publications". Deltamine.com. Archived from the original on 2008-05-26. Retrieved 2008-09-12.
  133. Marshall, Stephen; Shore, Josh (2004-10-22). "The Diamond Life". Guerrilla News Network. Archived from the original on 2008-06-09. Retrieved 2008-10-10.
  134. "High Performance Carbon Fibers". National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. 2003. Archived from the original on 2014-04-27. Retrieved 2014-04-26.
  135. "The Gifted Men Who Worked for Edison". National Park Service. Archived from the original on 2015-02-07. Retrieved 2014-12-01.
  136. "graphene definition, meaning – what is graphene in the British English Dictionary & Thesaurus – Cambridge Dictionaries Online". cambridge.org.
  137. "graphene noun - Definition, pictures, pronunciation and usage notes | Oxford Advanced Learner's Dictionary at OxfordLearnersDictionaries.com". www.oxfordlearnersdictionaries.com.
  138. ۱۳۸٫۰ ۱۳۸٫۱ Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. (2004-10-22). "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films". Science. 306 (5696): 666–669. arXiv:cond-mat/0410550. Bibcode:2004Sci...306..666N. doi:10.1126/science.1102896. ISSN 0036-8075. PMID 15499015.
  139. "graphene properties – Graphene Flagship EU".
  140. Lee, Changgu (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science. 321 (385): 385–388. Bibcode:2008Sci...321..385L. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798.
  141. Cao, K. (2020). "Elastic straining of free-standing monolayer graphene". Nature Communications. 11 (284): 284. Bibcode:2020NatCo..11..284C. doi:10.1038/s41467-019-14130-0. PMID 31941941.
  142. Mrmak, Nebojsa (2014-11-28). "Graphene properties (A Complete Reference)". Graphene-Battery.net. Retrieved 2019-11-10.
  143. Li, Zhilin; Chen, Lianlian; Meng, Sheng; Guo, Liwei; Huang, Jiao; Liu, Yu; Wang, Wenjun; Chen, Xiaolong (2015). "Field and temperature dependence of intrinsic diamagnetism in graphene: Theory and experiment". Phys. Rev. B. 91 (9): 094429. Bibcode:2015PhRvB..91i4429L. doi:10.1103/PhysRevB.91.094429.
  144. E., Shinn; A., Hubler; D., Lyon; M., Grosse-Perdekamp; A., Bezryadin; A., Belkin (22 October 2012). "Nuclear Energy Conversion with Stacks of Graphene Nano-capacitors". Complexity. 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. doi:10.1002/cplx.21427.
  145. Boehm, H. P.; Clauss, A.; Fischer, G. O.; Hofmann, U. (1962-07-01). "Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 316 (3–4): 119–127. doi:10.1002/zaac.19623160303. ISSN 1521-3749.
  146. "This Month in Physics History: October 22, 2004: Discovery of Graphene". APS News. Series II. 18 (9): 2. 2009.
  147. "The Story of Graphene". www.graphene.manchester.ac.uk. The University of Manchester. 10 September 2014. Retrieved 9 October 2014.
  148. "The Nobel Prize in Physics 2010". The Nobel Foundation. Archived from the original on 23 January 2012. Retrieved 3 December 2013.
  149. Bethune, D. S.; Kiang, C. H.; De Vries, M. S.; Gorman, G.; Savoy, R.; Vazquez, J.; Beyers, R. (1993). "Cobalt-catalyzed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls". Nature. 363 (6430): 605–607. Bibcode:1993Natur.363..605B. doi:10.1038/363605a0.
  150. Iijima, Sumio (7 November 1991). "Helical microtubules of graphitic carbon". Nature. 354 (6348): 56–58. Bibcode:1991Natur.354...56I. doi:10.1038/354056a0.
  151. Tans, S.J.; Devoret, M.H.; Dai., H.; Thess, A.; Smalley, R.E.; Geerligs, L.J.; Dekker, C. (1997). "Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires". Nature. 386 (6624): 374–377. Bibcode:1997Natur.386..474T. doi:10.1038/386474a0.
  152. Mintmire, J.W.; Dunlap, B.I.; White, C.T. (1992). "Are fullerene tubules metallic?". Phys. Rev. Lett. 68 (5): 631–634. Bibcode:1992PhRvL..68..631M. doi:10.1103/PhysRevLett.68.631. PMID 10045950.
  153. Yu, M. -F; Lourie, O.; Dyer, M.J.; Moloni, K.; Kelley, T.F.; Ruoff, R.S. (2000). "Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load". Science. 287 (5453): 637–40. Bibcode:2000Sci...287..637Y. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994.
  154. Bever, S.; Kwon, Y. -K.; Tomanek, D. (2000). "Unusually high thermal conductivity of carbon nanotubes". Phys. Rev. Lett. 84 (20): 4613–4616. arXiv:cond-mat/0002414. Bibcode:2000PhRvL..84.4613B. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4613. PMID 10990753.
  155. Kim, P.; Shi, L.; Majumdar, A.; McEuen, P.L. (2001). "Thermal transport measurements of individual multi walled nanotubes". Phys. Rev. Lett. 87 (21): 215502. arXiv:cond-mat/0106578. Bibcode:2001PhRvL..87u5502K. doi:10.1103/PhysRevLett.87.215502. PMID 11736348.
  156. Karousis, Nikolaos; Tagmatarchis, Nikos; Tasis, Dimitrios (2010-06-14). "Current progress on the chemical modification of carbon nanotubes". Chemical Reviews. 110 (9): 5366–5397. doi:10.1021/cr100018g. PMID 20545303.
  157. "The allotropes of carbon". Interactive Nano-Visualization in Science & Engineering Education. Archived from the original on 18 June 2010. Retrieved 29 August 2010.
  158. Buseck, P.R.; Tsipursky, S.J.; Hettich, R. (1992). "Fullerenes from the Geological Environment". Science. 257 (5067): 215–7. Bibcode:1992Sci...257..215B. doi:10.1126/science.257.5067.215. PMID 17794751.
  159. Cami, J; Bernard-Salas, J.; Peeters, E.; Malek, S. E. (2 September 2010). "Detection of C
    60
    and C
    70
    in a Young Planetary Nebula". Science. 329 (5996): 1180–2. Bibcode:2010Sci...329.1180C. doi:10.1126/science.1192035. PMID 20651118.
  160. Stars reveal carbon 'spaceballs', BBC, 22 July 2010.
  161. Belkin, A.; et., al. (2015). "Self-Assembled Wiggling Nano-Structures and the Principle of Maximum Entropy Production". Sci. Rep. 5: 8323. Bibcode:2015NatSR...5E8323B. doi:10.1038/srep08323. PMC 4321171. PMID 25662746.
  162. "The Nobel Prize in Chemistry ۱۹۹۶". Nobelprize.org. Archived from the original on 22 June 2013.
  163. A. Karton; B. Chan; K. Raghavachari & L. Radom (2013). "Evaluation of the heats of formation of corannulene and C60 by means of high-level theoretical procedures". Journal of Physical Chemistry A. 117 (8): 1834–1842. Bibcode:2013JPCA..117.1834K. doi:10.1021/jp312585r. PMID 23343032.
  164. Buckminsterfullerene and Buckyballs – Definition, Discovery, Structure, Production, Properties and A. AZoM.com. July 15, 2006
  165. Cantwell, W. J.; Morton, J. (1991). "The impact resistance of composite materials – a review". Composites. 22 (5): 347–62. doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V.
  166. Holtzapffel, Ch. (1856). Turning And Mechanical Manipulation. Charles Holtzapffel. Archived from the original on 26 March 2016. Retrieved 27 June 2020.Internet Archive
  167. "Industrial Diamonds Statistics and Information". United States Geological Survey. Archived from the original on 2009-05-06. Retrieved 2009-05-05.
  168. Coelho, R. T.; Yamada, S.; Aspinwall, D. K.; Wise, M. L. H. (1995). "The application of polycrystalline diamond (PCD) tool materials when drilling and reaming aluminum-based alloys including MMC". International Journal of Machine Tools and Manufacture. 35 (5): 761–774. doi:10.1016/0890-6955(95)93044-7.
  169. Harris, D. C. (1999). Materials for infrared windows and domes: properties and performance. SPIE Press. pp. 303–334. ISBN 978-0-8194-3482-1.
  170. Nusinovich, G. S. (2004). Introduction to the physics of gyrotrons. JHU Press. p. 229. ISBN 978-0-8018-7921-0.
  171. Sakamoto, M.; Endriz, J. G.; Scifres, D. R. (1992). "120 W CW output power from monolithic AlGaAs (800 nm) laser diode array mounted on diamond heatsink". Electronics Letters. 28 (2): 197–199. Bibcode:1992ElL....28..197S. doi:10.1049/el:19920123.
  172. Chang, T.M.S (1996). "Editorial: past, present and future perspectives on the 40th anniversary of hemoglobin based red blood cell substitutes". Artificial Cells Blood Substit Immobil Biotechnol. 24: ixxxvi.
  173. Dunea G, Kolff WJ (1965). "Clinical Experience with the Yatzidis Charcoal Artificial Kidney". Transactions of the American Society for Artificial Internal Organs. 11: 178–82. doi:10.1097/00002480-196504000-00035. PMID 14329080.
  174. Rappazzo, Kristen; Daniels, Julie; Messer, Lynne (2015). "Exposure to Elemental Carbon, Organic Carbon, Nitrate, and Sulfate Fractions of Fine Particulate Matter and Risk of Preterm Birth in New Jersey, Ohio, and Pennsylvania (2000–2005)". Environ Health Perspect. 123 (12): 1059–1065. doi:10.1002/chem.200401299. PMID 25910280.
  175. Dorfer, Leopold; Moser, M.; Spindler, K.; Bahr, F.; Egarter-Vigl, E.; Dohr, G. (1998). "5200-year old acupuncture in Central Europe?". Science. 282 (5387): 242–243. Bibcode:1998Sci...282..239D. doi:10.1126/science.282.5387.239f. PMID 9841386.
  176. Donaldson, K.; Stone, V.; Clouter, A.; Renwick, L.; MacNee, W. (2001). "Ultrafine particles". Occupational and Environmental Medicine. 58 (3): 211–216. doi:10.1136/oem.58.3.211. PMC 1740105. PMID 11171936. Archived from the original on 2009-05-01.
  177. Carbon Nanoparticles Toxic To Adult Fruit Flies But Benign To Young بایگانی‌شده در ۲۰۱۱-۱۱-۰۲ توسط Wayback Machine ScienceDaily (Aug. 17, 2009)
  178. "Press Release – Titanic Disaster: New Theory Fingers Coal Fire". www.geosociety.org. Archived from the original on 2016-04-14. Retrieved 2016-04-06.
  179. McSherry, Patrick. "Coal bunker Fire". www.spanamwar.com. Archived from the original on 2016-03-23. Retrieved 2016-04-06.
  180. "Meeting of RG2 with Windscale Pile 1 Decommissioning Project Team" (PDF). Nuclear Safety Advisory Committee. 2005-09-29. NuSAC(2005)P 18. Retrieved 2008-11-26.
  181. Marsden, B.J.; Preston, S.D.; Wickham, A.J. (8–10 September 1997). "Evaluation of graphite safety issues for the British production piles at Windscale". AEA Technology. IAEA. IAEA-TECDOC—1043. Retrieved 13 November 2010.
  182. "Environmental and Health Effects of Cyanide". International Cyanide Management Institute. 2006. Retrieved 4 August 2009.
  183. Dorland's Illustrated Medical Dictionary (32 ed.). Elsevier Health Sciences. 2011. p. 1481. ISBN 978-1-4557-0985-4. Archived from the original on 8 September 2017.
  184. ۱۸۴٫۰ ۱۸۴٫۱ Anseeuw, K; Delvau, N; Burillo-Putze, G; De Iaco, F; Geldner, G; Holmström, P; Lambert, Y; Sabbe, M (February 2013). "Cyanide poisoning by fire smoke inhalation: a European expert consensus". European Journal of Emergency Medicine. 20 (1): 2–9. doi:10.1097/mej.0b013e328357170b. PMID 22828651.
  185. Hamel, J (February 2011). "A review of acute cyanide poisoning with a treatment update". Critical Care Nurse. 31 (1): 72–81, quiz 82. doi:10.4037/ccn2011799. PMID 21285466.

کتاب‌شناسی[ویرایش]

  • Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.

پیوند به بیرون[ویرایش]

Carbon, 6C
Graphite-and-diamond-with-scale.jpg
Graphite (left) and diamond (right), two allotropes of carbon
Carbon
Allotropesgraphite, diamond, others
Appearance
  • graphite: black
  • diamond: clear
Standard atomic weight Ar, std(C)[12.009612.0116] conventional: 12.011
Carbon in the periodic table
Hydrogen Helium
Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon
Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon
Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson


C

Si
boroncarbonnitrogen
Atomic number (Z)6
Groupgroup 14 (carbon group)
Periodperiod 2
Blockp-block
Element category  Reactive nonmetal, sometimes considered a metalloid
Electron configuration[He] 2s2 2p2
Electrons per shell2, 4
Physical properties
Phase at STPsolid
Sublimation point3915 K ​(3642 °C, ​6588 °F)
Density (near r.t.)amorphous: 1.8–2.1 g/cm3[1]
graphite: 2.267 g/cm3
diamond: 3.515 g/cm3
Triple point4600 K, ​10,800 kPa[2][3]
Heat of fusiongraphite: 117 kJ/mol
Molar heat capacitygraphite: 8.517 J/(mol·K)
diamond: 6.155 J/(mol·K)
Atomic properties
Oxidation states−4, −3, −2, −1, 0, +1,[4] +2, +3,[5] +4[6] (a mildly acidic oxide)
ElectronegativityPauling scale: 2.55
Ionization energies
  • 1st: 1086.5 kJ/mol
  • 2nd: 2352.6 kJ/mol
  • 3rd: 4620.5 kJ/mol
  • (more)
Covalent radiussp3: 77 pm
sp2: 73 pm
sp: 69 pm
Van der Waals radius170 pm
Color lines in a spectral range
Spectral lines of carbon
Other properties
Natural occurrenceprimordial
Crystal structuregraphite: ​simple hexagonal
Simple hexagonal crystal structure for graphite: carbon

(black)
Crystal structurediamond: ​face-centered diamond-cubic
Diamond cubic crystal structure for diamond: carbon

(clear)
Speed of sound thin roddiamond: 18,350 m/s (at 20 °C)
Thermal expansiondiamond: 0.8 µm/(m·K) (at 25 °C)[7]
Thermal conductivitygraphite: 119–165 W/(m·K)
diamond: 900–2300 W/(m·K)
Electrical resistivitygraphite: 7.837 µΩ·m[8]
Magnetic orderingdiamagnetic[9]
Magnetic susceptibility−5.9·10−6 (graph.) cm3/mol[10]
Young's modulusdiamond: 1050 GPa[7]
Shear modulusdiamond: 478 GPa[7]
Bulk modulusdiamond: 442 GPa[7]
Poisson ratiodiamond: 0.1[7]
Mohs hardnessgraphite: 1–2
diamond: 10
CAS Number
  • graphite: 7782-42-5
  • diamond: 7782-40-3
History
DiscoveryEgyptians and Sumerians[11] (3750 BCE)
Recognized as an element byAntoine Lavoisier[12] (1789)
Main isotopes of carbon
Iso­tope Abun­dance Half-life (t1/2) Decay mode Pro­duct
11C syn 20 min β+ 11B
12C 98.9% stable
13C 1.1% stable
14C trace 5730 y β 14N
Category Category: Carbon
| references

Carbon (from Latin: carbo "coal") is a chemical element with the symbol C and atomic number 6. It is nonmetallic and tetravalent—making four electrons available to form covalent chemical bonds. It belongs to group 14 of the periodic table.[13] Carbon makes up only about 0.025 percent of Earth’s crust.[14] Three isotopes occur naturally, 12C and 13C being stable, while 14C is a radionuclide, decaying with a half-life of about 5,730 years.[15] Carbon is one of the few elements known since antiquity.[16]

Carbon is the 15th most abundant element in the Earth's crust, and the fourth most abundant element in the universe by mass after hydrogen, helium, and oxygen. Carbon's abundance, its unique diversity of organic compounds, and its unusual ability to form polymers at the temperatures commonly encountered on Earth enables this element to serve as a common element of all known life. It is the second most abundant element in the human body by mass (about 18.5%) after oxygen.[17]

The atoms of carbon can bond together in diverse ways, resulting in various allotropes of carbon. The best known allotropes are graphite, diamond, and buckminsterfullerene.[18] The physical properties of carbon vary widely with the allotropic form. For example, graphite is opaque and black while diamond is highly transparent. Graphite is soft enough to form a streak on paper (hence its name, from the Greek verb "γράφειν" which means "to write"), while diamond is the hardest naturally occurring material known. Graphite is a good electrical conductor while diamond has a low electrical conductivity. Under normal conditions, diamond, carbon nanotubes, and graphene have the highest thermal conductivities of all known materials. All carbon allotropes are solids under normal conditions, with graphite being the most thermodynamically stable form at standard temperature and pressure. They are chemically resistant and require high temperature to react even with oxygen.

The most common oxidation state of carbon in inorganic compounds is +4, while +2 is found in carbon monoxide and transition metal carbonyl complexes. The largest sources of inorganic carbon are limestones, dolomites and carbon dioxide, but significant quantities occur in organic deposits of coal, peat, oil, and methane clathrates. Carbon forms a vast number of compounds, more than any other element, with almost ten million compounds described to date,[19] and yet that number is but a fraction of the number of theoretically possible compounds under standard conditions. For this reason, carbon has often been referred to as the "king of the elements".[20]

Characteristics

Theoretically predicted phase diagram of carbon

The allotropes of carbon include graphite, one of the softest known substances, and diamond, the hardest naturally occurring substance. It bonds readily with other small atoms, including other carbon atoms, and is capable of forming multiple stable covalent bonds with suitable multivalent atoms. Carbon is known to form almost ten million compounds, a large majority of all chemical compounds.[19] Carbon also has the highest sublimation point of all elements. At atmospheric pressure it has no melting point, as its triple point is at 10.8±0.2 MPa and 4,600 ± 300 K (4,330 ± 300 °C; 7,820 ± 540 °F),[2][3] so it sublimes at about 3,900 K (3,630 °C; 6,560 °F).[21][22] Graphite is much more reactive than diamond at standard conditions, despite being more thermodynamically stable, as its delocalised pi system is much more vulnerable to attack. For example, graphite can be oxidised by hot concentrated nitric acid at standard conditions to mellitic acid, C6(CO2H)6, which preserves the hexagonal units of graphite while breaking up the larger structure.[23]

Carbon sublimes in a carbon arc, which has a temperature of about 5800 K (5,530 °C or 9,980 °F). Thus, irrespective of its allotropic form, carbon remains solid at higher temperatures than the highest-melting-point metals such as tungsten or rhenium. Although thermodynamically prone to oxidation, carbon resists oxidation more effectively than elements such as iron and copper, which are weaker reducing agents at room temperature.

Carbon is the sixth element, with a ground-state electron configuration of 1s22s22p2, of which the four outer electrons are valence electrons. Its first four ionisation energies, 1086.5, 2352.6, 4620.5 and 6222.7 kJ/mol, are much higher than those of the heavier group-14 elements. The electronegativity of carbon is 2.5, significantly higher than the heavier group-14 elements (1.8–1.9), but close to most of the nearby nonmetals, as well as some of the second- and third-row transition metals. Carbon's covalent radii are normally taken as 77.2 pm (C−C), 66.7 pm (C=C) and 60.3 pm (C≡C), although these may vary depending on coordination number and what the carbon is bonded to. In general, covalent radius decreases with lower coordination number and higher bond order.[24]

Carbon compounds form the basis of all known life on Earth, and the carbon–nitrogen cycle provides some of the energy produced by the Sun and other stars. Although it forms an extraordinary variety of compounds, most forms of carbon are comparatively unreactive under normal conditions. At standard temperature and pressure, it resists all but the strongest oxidizers. It does not react with sulfuric acid, hydrochloric acid, chlorine or any alkalis. At elevated temperatures, carbon reacts with oxygen to form carbon oxides and will rob oxygen from metal oxides to leave the elemental metal. This exothermic reaction is used in the iron and steel industry to smelt iron and to control the carbon content of steel:

Fe
3
O
4
+ 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)

Carbon monoxide can be recycled to smelt even more iron:

Fe
3
O
4
+ 4 CO(g) → 3 Fe(s) + 4 CO
2
(g)

with sulfur to form carbon disulfide and with steam in the coal-gas reaction:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g).

Carbon combines with some metals at high temperatures to form metallic carbides, such as the iron carbide cementite in steel and tungsten carbide, widely used as an abrasive and for making hard tips for cutting tools.

The system of carbon allotropes spans a range of extremes:

Graphite is one of the softest materials known. Synthetic nanocrystalline diamond is the hardest material known.[25]
Graphite is a very good lubricant, displaying superlubricity.[26] Diamond is the ultimate abrasive.
Graphite is a conductor of electricity.[27] Diamond is an excellent electrical insulator,[28] and has the highest breakdown electric field of any known material.
Some forms of graphite are used for thermal insulation (i.e. firebreaks and heat shields), but some other forms are good thermal conductors. Diamond is the best known naturally occurring thermal conductor
Graphite is opaque. Diamond is highly transparent.
Graphite crystallizes in the hexagonal system.[29] Diamond crystallizes in the cubic system.
Amorphous carbon is completely isotropic. Carbon nanotubes are among the most anisotropic materials known.

Allotropes

Atomic carbon is a very short-lived species and, therefore, carbon is stabilized in various multi-atomic structures with diverse molecular configurations called allotropes. The three relatively well-known allotropes of carbon are amorphous carbon, graphite, and diamond. Once considered exotic, fullerenes are nowadays commonly synthesized and used in research; they include buckyballs,[30][31] carbon nanotubes,[32] carbon nanobuds[33] and nanofibers.[34][35] Several other exotic allotropes have also been discovered, such as lonsdaleite,[36] glassy carbon,[37] carbon nanofoam[38] and linear acetylenic carbon (carbyne).[39]

Graphene is a two-dimensional sheet of carbon with the atoms arranged in a hexagonal lattice. As of 2009, graphene appears to be the strongest material ever tested.[40] The process of separating it from graphite will require some further technological development before it is economical for industrial processes.[41] If successful, graphene could be used in the construction of a space elevator. It could also be used to safely store hydrogen for use in a hydrogen based engine in cars.[42]

A large sample of glassy carbon

The amorphous form is an assortment of carbon atoms in a non-crystalline, irregular, glassy state, not held in a crystalline macrostructure. It is present as a powder, and is the main constituent of substances such as charcoal, lampblack (soot) and activated carbon. At normal pressures, carbon takes the form of graphite, in which each atom is bonded trigonally to three others in a plane composed of fused hexagonal rings, just like those in aromatic hydrocarbons.[43] The resulting network is 2-dimensional, and the resulting flat sheets are stacked and loosely bonded through weak van der Waals forces. This gives graphite its softness and its cleaving properties (the sheets slip easily past one another). Because of the delocalization of one of the outer electrons of each atom to form a π-cloud, graphite conducts electricity, but only in the plane of each covalently bonded sheet. This results in a lower bulk electrical conductivity for carbon than for most metals. The delocalization also accounts for the energetic stability of graphite over diamond at room temperature.

Some allotropes of carbon: a) diamond; b) graphite; c) lonsdaleite; d–f) fullerenes (C60, C540, C70); g) amorphous carbon; h) carbon nanotube

At very high pressures, carbon forms the more compact allotrope, diamond, having nearly twice the density of graphite. Here, each atom is bonded tetrahedrally to four others, forming a 3-dimensional network of puckered six-membered rings of atoms. Diamond has the same cubic structure as silicon and germanium, and because of the strength of the carbon-carbon bonds, it is the hardest naturally occurring substance measured by resistance to scratching. Contrary to the popular belief that "diamonds are forever", they are thermodynamically unstable (ΔfG°(diamond, 298 K) = 2.9 kJ/mol[44]) under normal conditions (298 K, 105 Pa) and transform into graphite.[18] Due to a high activation energy barrier, the transition into graphite is so slow at normal temperature that it is unnoticeable. The bottom left corner of the phase diagram for carbon has not been scrutinized experimentally. However, a recent computational study employing density functional theory methods reached the conclusion that as T → 0 K and p → 0 Pa, diamond becomes more stable than graphite by approximately 1.1 kJ/mol.[45] Under some conditions, carbon crystallizes as lonsdaleite, a hexagonal crystal lattice with all atoms covalently bonded and properties similar to those of diamond.[36]

Fullerenes are a synthetic crystalline formation with a graphite-like structure, but in place of flat hexagonal cells only, some of the cells of which fullerenes are formed may be pentagons, nonplanar hexagons, or even heptagons of carbon atoms. The sheets are thus warped into spheres, ellipses, or cylinders. The properties of fullerenes (split into buckyballs, buckytubes, and nanobuds) have not yet been fully analyzed and represent an intense area of research in nanomaterials. The names fullerene and buckyball are given after Richard Buckminster Fuller, popularizer of geodesic domes, which resemble the structure of fullerenes. The buckyballs are fairly large molecules formed completely of carbon bonded trigonally, forming spheroids (the best-known and simplest is the soccerball-shaped C60 buckminsterfullerene).[30] Carbon nanotubes (buckytubes) are structurally similar to buckyballs, except that each atom is bonded trigonally in a curved sheet that forms a hollow cylinder.[31][32] Nanobuds were first reported in 2007 and are hybrid buckytube/buckyball materials (buckyballs are covalently bonded to the outer wall of a nanotube) that combine the properties of both in a single structure.[33]

Comet C/2014 Q2 (Lovejoy) surrounded by glowing carbon vapor

Of the other discovered allotropes, carbon nanofoam is a ferromagnetic allotrope discovered in 1997. It consists of a low-density cluster-assembly of carbon atoms strung together in a loose three-dimensional web, in which the atoms are bonded trigonally in six- and seven-membered rings. It is among the lightest known solids, with a density of about 2 kg/m3.[46] Similarly, glassy carbon contains a high proportion of closed porosity,[37] but contrary to normal graphite, the graphitic layers are not stacked like pages in a book, but have a more random arrangement. Linear acetylenic carbon[39] has the chemical structure[39] −(C:::C)n−. Carbon in this modification is linear with sp orbital hybridization, and is a polymer with alternating single and triple bonds. This carbyne is of considerable interest to nanotechnology as its Young's modulus is 40 times that of the hardest known material – diamond.[47]

In 2015, a team at the North Carolina State University announced the development of another allotrope they have dubbed Q-carbon, created by a high energy low duration laser pulse on amorphous carbon dust. Q-carbon is reported to exhibit ferromagnetism, fluorescence, and a hardness superior to diamonds.[48]

In the vapor phase, some of the carbon is in the form of dicarbon (C
2
). When excited, this gas glows green.

Occurrence

Graphite ore, shown with a penny for scale
Raw diamond crystal
"Present day" (1990s) sea surface dissolved inorganic carbon concentration (from the GLODAP climatology)

Carbon is the fourth most abundant chemical element in the observable universe by mass after hydrogen, helium, and oxygen. In July 2020, astronomers reported evidence that carbon was formed mainly in white dwarf stars, particularly those bigger than two solar masses.[49][50] Carbon is abundant in the Sun, stars, comets, and in the atmospheres of most planets.[51] Some meteorites contain microscopic diamonds that were formed when the solar system was still a protoplanetary disk.[52] Microscopic diamonds may also be formed by the intense pressure and high temperature at the sites of meteorite impacts.[53]

In 2014 NASA announced a greatly upgraded database for tracking polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the universe. More than 20% of the carbon in the universe may be associated with PAHs, complex compounds of carbon and hydrogen without oxygen.[54] These compounds figure in the PAH world hypothesis where they are hypothesized to have a role in abiogenesis and formation of life. PAHs seem to have been formed "a couple of billion years" after the Big Bang, are widespread throughout the universe, and are associated with new stars and exoplanets.[51]

It has been estimated that the solid earth as a whole contains 730 ppm of carbon, with 2000 ppm in the core and 120 ppm in the combined mantle and crust.[55] Since the mass of the earth is 5.972×1024 kg, this would imply 4360 million gigatonnes of carbon. This is much more than the amount of carbon in the oceans or atmosphere (below).

In combination with oxygen in carbon dioxide, carbon is found in the Earth's atmosphere (approximately 900 gigatonnes of carbon — each ppm corresponds to 2.13 Gt) and dissolved in all water bodies (approximately 36,000 gigatonnes of carbon). Carbon in the biosphere has been estimated at 550 gigatonnes but with a large uncertainty, due mostly to a huge uncertainty in the amount of terrestrial deep subsurface bacteria.[56] Hydrocarbons (such as coal, petroleum, and natural gas) contain carbon as well. Coal "reserves" (not "resources") amount to around 900 gigatonnes with perhaps 18,000 Gt of resources.[57] Oil reserves are around 150 gigatonnes. Proven sources of natural gas are about 175×1012 cubic metres (containing about 105 gigatonnes of carbon), but studies estimate another 900×1012 cubic metres of "unconventional" deposits such as shale gas, representing about 540 gigatonnes of carbon.[58]

Carbon is also found in methane hydrates in polar regions and under the seas. Various estimates put this carbon between 500, 2500 Gt,[59] or 3,000 Gt.[60]

In the past, quantities of hydrocarbons were greater. According to one source, in the period from 1751 to 2008 about 347 gigatonnes of carbon were released as carbon dioxide to the atmosphere from burning of fossil fuels.[61] Another source puts the amount added to the atmosphere for the period since 1750 at 879 Gt, and the total going to the atmosphere, sea, and land (such as peat bogs) at almost 2,000 Gt.[62]

Carbon is a constituent (about 12% by mass) of the very large masses of carbonate rock (limestone, dolomite, marble and so on). Coal is very rich in carbon (anthracite contains 92–98%)[63] and is the largest commercial source of mineral carbon, accounting for 4,000 gigatonnes or 80% of fossil fuel.[64]

As for individual carbon allotropes, graphite is found in large quantities in the United States (mostly in New York and Texas), Russia, Mexico, Greenland, and India. Natural diamonds occur in the rock kimberlite, found in ancient volcanic "necks", or "pipes". Most diamond deposits are in Africa, notably in South Africa, Namibia, Botswana, the Republic of the Congo, and Sierra Leone. Diamond deposits have also been found in Arkansas, Canada, the Russian Arctic, Brazil, and in Northern and Western Australia. Diamonds are now also being recovered from the ocean floor off the Cape of Good Hope. Diamonds are found naturally, but about 30% of all industrial diamonds used in the U.S. are now manufactured.

Carbon-14 is formed in upper layers of the troposphere and the stratosphere at altitudes of 9–15 km by a reaction that is precipitated by cosmic rays.[65] Thermal neutrons are produced that collide with the nuclei of nitrogen-14, forming carbon-14 and a proton. As such, 1.5%×10−10 of atmospheric carbon dioxide contains carbon-14.[66]

Carbon-rich asteroids are relatively preponderant in the outer parts of the asteroid belt in our solar system. These asteroids have not yet been directly sampled by scientists. The asteroids can be used in hypothetical space-based carbon mining, which may be possible in the future, but is currently technologically impossible.[67]

Isotopes

Isotopes of carbon are atomic nuclei that contain six protons plus a number of neutrons (varying from 2 to 16). Carbon has two stable, naturally occurring isotopes.[15] The isotope carbon-12 (12C) forms 98.93% of the carbon on Earth, while carbon-13 (13C) forms the remaining 1.07%.[15] The concentration of 12C is further increased in biological materials because biochemical reactions discriminate against 13C.[68] In 1961, the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adopted the isotope carbon-12 as the basis for atomic weights.[69] Identification of carbon in nuclear magnetic resonance (NMR) experiments is done with the isotope 13C.

Carbon-14 (14C) is a naturally occurring radioisotope, created in the upper atmosphere (lower stratosphere and upper troposphere) by interaction of nitrogen with cosmic rays.[70] It is found in trace amounts on Earth of 1 part per trillion (0.0000000001%) or more, mostly confined to the atmosphere and superficial deposits, particularly of peat and other organic materials.[71] This isotope decays by 0.158 MeV β emission. Because of its relatively short half-life of 5730 years, 14C is virtually absent in ancient rocks. The amount of 14C in the atmosphere and in living organisms is almost constant, but decreases predictably in their bodies after death. This principle is used in radiocarbon dating, invented in 1949, which has been used extensively to determine the age of carbonaceous materials with ages up to about 40,000 years.[72][73]

There are 15 known isotopes of carbon and the shortest-lived of these is 8C which decays through proton emission and alpha decay and has a half-life of 1.98739 × 10−21 s.[74] The exotic 19C exhibits a nuclear halo, which means its radius is appreciably larger than would be expected if the nucleus were a sphere of constant density.[75]

Formation in stars

Formation of the carbon atomic nucleus occurs within a giant or supergiant star through the triple-alpha process. This requires a nearly simultaneous collision of three alpha particles (helium nuclei), as the products of further nuclear fusion reactions of helium with hydrogen or another helium nucleus produce lithium-5 and beryllium-8 respectively, both of which are highly unstable and decay almost instantly back into smaller nuclei.[76] The triple-alpha process happens in conditions of temperatures over 100 megakelvins and helium concentration that the rapid expansion and cooling of the early universe prohibited, and therefore no significant carbon was created during the Big Bang.

According to current physical cosmology theory, carbon is formed in the interiors of stars on the horizontal branch.[77] When massive stars die as supernova, the carbon is scattered into space as dust. This dust becomes component material for the formation of the next-generation star systems with accreted planets.[51][78] The Solar System is one such star system with an abundance of carbon, enabling the existence of life as we know it.

The CNO cycle is an additional hydrogen fusion mechanism that powers stars, wherein carbon operates as a catalyst.

Rotational transitions of various isotopic forms of carbon monoxide (for example, 12CO, 13CO, and 18CO) are detectable in the submillimeter wavelength range, and are used in the study of newly forming stars in molecular clouds.[79]

Carbon cycle

Diagram of the carbon cycle. The black numbers indicate how much carbon is stored in various reservoirs, in billions tonnes ("GtC" stands for gigatonnes of carbon; figures are circa 2004). The purple numbers indicate how much carbon moves between reservoirs each year. The sediments, as defined in this diagram, do not include the ≈70 million GtC of carbonate rock and kerogen.

Under terrestrial conditions, conversion of one element to another is very rare. Therefore, the amount of carbon on Earth is effectively constant. Thus, processes that use carbon must obtain it from somewhere and dispose of it somewhere else. The paths of carbon in the environment form the carbon cycle. For example, photosynthetic plants draw carbon dioxide from the atmosphere (or seawater) and build it into biomass, as in the Calvin cycle, a process of carbon fixation. Some of this biomass is eaten by animals, while some carbon is exhaled by animals as carbon dioxide. The carbon cycle is considerably more complicated than this short loop; for example, some carbon dioxide is dissolved in the oceans; if bacteria do not consume it, dead plant or animal matter may become petroleum or coal, which releases carbon when burned.[80][81]

Compounds

Organic compounds

Structural formula of methane, the simplest possible organic compound.
Correlation between the carbon cycle and formation of organic compounds. In plants, carbon dioxide formed by carbon fixation can join with water in photosynthesis (green) to form organic compounds, which can be used and further converted by both plants and animals.

Carbon can form very long chains of interconnecting carbon–carbon bonds, a property that is called catenation. Carbon-carbon bonds are strong and stable. Through catenation, carbon forms a countless number of compounds. A tally of unique compounds shows that more contain carbon than do not.[82] A similar claim can be made for hydrogen because most organic compounds contain hydrogen chemically bonded to carbon or another common element like oxygen or nitrogen.

The simplest form of an organic molecule is the hydrocarbon—a large family of organic molecules that are composed of hydrogen atoms bonded to a chain of carbon atoms. A hydrocarbon backbone can be substituted by other atoms, known as heteroatoms. Common heteroatoms that appear in organic compounds include oxygen, nitrogen, sulfur, phosphorus, and the nonradioactive halogens, as well as the metals lithium and magnesium. Organic compounds containing bonds to metal are known as organometallic compounds (see below). Certain groupings of atoms, often including heteroatoms, recur in large numbers of organic compounds. These collections, known as functional groups, confer common reactivity patterns and allow for the systematic study and categorization of organic compounds. Chain length, shape and functional groups all affect the properties of organic molecules.

In most stable compounds of carbon (and nearly all stable organic compounds), carbon obeys the octet rule and is tetravalent, meaning that a carbon atom forms a total of four covalent bonds (which may include double and triple bonds). Exceptions include a small number of stabilized carbocations (three bonds, positive charge), radicals (three bonds, neutral), carbanions (three bonds, negative charge) and carbenes (two bonds, neutral), although these species are much more likely to be encountered as unstable, reactive intermediates.

Carbon occurs in all known organic life and is the basis of organic chemistry. When united with hydrogen, it forms various hydrocarbons that are important to industry as refrigerants, lubricants, solvents, as chemical feedstock for the manufacture of plastics and petrochemicals, and as fossil fuels.

When combined with oxygen and hydrogen, carbon can form many groups of important biological compounds including sugars, lignans, chitins, alcohols, fats, and aromatic esters, carotenoids and terpenes. With nitrogen it forms alkaloids, and with the addition of sulfur also it forms antibiotics, amino acids, and rubber products. With the addition of phosphorus to these other elements, it forms DNA and RNA, the chemical-code carriers of life, and adenosine triphosphate (ATP), the most important energy-transfer molecule in all living cells.

Inorganic compounds

Commonly carbon-containing compounds which are associated with minerals or which do not contain bonds to the other carbon atoms, halogens, or hydrogen, are treated separately from classical organic compounds; the definition is not rigid, and the classification of some compounds can vary from author to author (see reference articles above). Among these are the simple oxides of carbon. The most prominent oxide is carbon dioxide (CO
2
). This was once the principal constituent of the paleoatmosphere, but is a minor component of the Earth's atmosphere today.[83] Dissolved in water, it forms carbonic acid (H
2
CO
3
), but as most compounds with multiple single-bonded oxygens on a single carbon it is unstable.[84] Through this intermediate, though, resonance-stabilized carbonate ions are produced. Some important minerals are carbonates, notably calcite. Carbon disulfide (CS
2
) is similar.[23] Nevertheless, due to its physical properties and its association with organic synthesis, carbon disulfide is sometimes classified as an organic solvent.[85]

The other common oxide is carbon monoxide (CO). It is formed by incomplete combustion, and is a colorless, odorless gas. The molecules each contain a triple bond and are fairly polar, resulting in a tendency to bind permanently to hemoglobin molecules, displacing oxygen, which has a lower binding affinity.[86][87] Cyanide (CN), has a similar structure, but behaves much like a halide ion (pseudohalogen). For example, it can form the nitride cyanogen molecule ((CN)2), similar to diatomic halides. Likewise, the heavier analog of cyanide, cyaphide (CP), is also considered inorganic, though most simple derivatives are highly unstable. Other uncommon oxides are carbon suboxide (C
3
O
2
),[88] the unstable dicarbon monoxide (C2O),[89][90] carbon trioxide (CO3),[91][92] cyclopentanepentone (C5O5),[93] cyclohexanehexone (C6O6),[93] and mellitic anhydride (C12O9). However, mellitic anhydride is the triple acyl anhydride of mellitic acid; moreover, it contains a benzene ring. Thus, many chemists consider it to be organic.

With reactive metals, such as tungsten, carbon forms either carbides (C4−) or acetylides (C2−
2
) to form alloys with high melting points. These anions are also associated with methane and acetylene, both very weak acids. With an electronegativity of 2.5,[94] carbon prefers to form covalent bonds. A few carbides are covalent lattices, like carborundum (SiC), which resembles diamond. Nevertheless, even the most polar and salt-like of carbides are not completely ionic compounds.[95]

Organometallic compounds

Organometallic compounds by definition contain at least one carbon-metal covalent bond. A wide range of such compounds exist; major classes include simple alkyl-metal compounds (for example, tetraethyllead), η2-alkene compounds (for example, Zeise's salt), and η3-allyl compounds (for example, allylpalladium chloride dimer); metallocenes containing cyclopentadienyl ligands (for example, ferrocene); and transition metal carbene complexes. Many metal carbonyls and metal cyanides exist (for example, tetracarbonylnickel and potassium ferricyanide); some workers consider metal carbonyl and cyanide complexes without other carbon ligands to be purely inorganic, and not organometallic. However, most organometallic chemists consider metal complexes with any carbon ligand, even 'inorganic carbon' (e.g., carbonyls, cyanides, and certain types of carbides and acetylides) to be organometallic in nature. Metal complexes containing organic ligands without a carbon-metal covalent bond (e.g., metal carboxylates) are termed metalorganic compounds.

While carbon is understood to strongly prefer formation of four covalent bonds, other exotic bonding schemes are also known. Carboranes are highly stable dodecahedral derivatives of the [B12H12]2- unit, with one BH replaced with a CH+. Thus, the carbon is bonded to five boron atoms and one hydrogen atom. The cation [(Ph3PAu)6C]2+ contains an octahedral carbon bound to six phosphine-gold fragments. This phenomenon has been attributed to the aurophilicity of the gold ligands, which provide additional stabilization of an otherwise labile species.[96] In nature, the iron-molybdenum cofactor (FeMoco) responsible for microbial nitrogen fixation likewise has an octahedral carbon center (formally a carbide, C(-IV)) bonded to six iron atoms. In 2016, it was confirmed that, in line with earlier theoretical predictions, the hexamethylbenzene dication contains a carbon atom with six bonds. More specifically, the dication could be described structurally by the formulation [MeC(η5-C5Me5)]2+, making it an "organic metallocene" in which a MeC3+ fragment is bonded to a η5-C5Me5 fragment through all five of the carbons of the ring.[97]

This anthracene derivative contains a carbon atom with 5 formal electron pairs around it.

It is important to note that in the cases above, each of the bonds to carbon contain less than two formal electron pairs. Thus, the formal electron count of these species does not exceed an octet. This makes them hypercoordinate but not hypervalent. Even in cases of alleged 10-C-5 species (that is, a carbon with five ligands and a formal electron count of ten), as reported by Akiba and co-workers,[98] electronic structure calculations conclude that the electron population around carbon is still less than eight, as is true for other compounds featuring four-electron three-center bonding.

History and etymology

Antoine Lavoisier in his youth

The English name carbon comes from the Latin carbo for coal and charcoal,[99] whence also comes the French charbon, meaning charcoal. In German, Dutch and Danish, the names for carbon are Kohlenstoff, koolstof and kulstof respectively, all literally meaning coal-substance.

Carbon was discovered in prehistory and was known in the forms of soot and charcoal to the earliest human civilizations. Diamonds were known probably as early as 2500 BCE in China, while carbon in the form of charcoal was made around Roman times by the same chemistry as it is today, by heating wood in a pyramid covered with clay to exclude air.[100][101]

In 1722, René Antoine Ferchault de Réaumur demonstrated that iron was transformed into steel through the absorption of some substance, now known to be carbon.[102] In 1772, Antoine Lavoisier showed that diamonds are a form of carbon; when he burned samples of charcoal and diamond and found that neither produced any water and that both released the same amount of carbon dioxide per gram. In 1779,[103] Carl Wilhelm Scheele showed that graphite, which had been thought of as a form of lead, was instead identical with charcoal but with a small admixture of iron, and that it gave "aerial acid" (his name for carbon dioxide) when oxidized with nitric acid.[104] In 1786, the French scientists Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge and C. A. Vandermonde confirmed that graphite was mostly carbon by oxidizing it in oxygen in much the same way Lavoisier had done with diamond.[105] Some iron again was left, which the French scientists thought was necessary to the graphite structure. In their publication they proposed the name carbone (Latin carbonum) for the element in graphite which was given off as a gas upon burning graphite. Antoine Lavoisier then listed carbon as an element in his 1789 textbook.[106]

A new allotrope of carbon, fullerene, that was discovered in 1985[107] includes nanostructured forms such as buckyballs and nanotubes.[30] Their discoverers – Robert Curl, Harold Kroto and Richard Smalley – received the Nobel Prize in Chemistry in 1996.[108] The resulting renewed interest in new forms lead to the discovery of further exotic allotropes, including glassy carbon, and the realization that "amorphous carbon" is not strictly amorphous.[37]

Production

Graphite

Commercially viable natural deposits of graphite occur in many parts of the world, but the most important sources economically are in China, India, Brazil and North Korea. Graphite deposits are of metamorphic origin, found in association with quartz, mica and feldspars in schists, gneisses and metamorphosed sandstones and limestone as lenses or veins, sometimes of a metre or more in thickness. Deposits of graphite in Borrowdale, Cumberland, England were at first of sufficient size and purity that, until the 19th century, pencils were made simply by sawing blocks of natural graphite into strips before encasing the strips in wood. Today, smaller deposits of graphite are obtained by crushing the parent rock and floating the lighter graphite out on water.[109]

There are three types of natural graphite—amorphous, flake or crystalline flake, and vein or lump. Amorphous graphite is the lowest quality and most abundant. Contrary to science, in industry "amorphous" refers to very small crystal size rather than complete lack of crystal structure. Amorphous is used for lower value graphite products and is the lowest priced graphite. Large amorphous graphite deposits are found in China, Europe, Mexico and the United States. Flake graphite is less common and of higher quality than amorphous; it occurs as separate plates that crystallized in metamorphic rock. Flake graphite can be four times the price of amorphous. Good quality flakes can be processed into expandable graphite for many uses, such as flame retardants. The foremost deposits are found in Austria, Brazil, Canada, China, Germany and Madagascar. Vein or lump graphite is the rarest, most valuable, and highest quality type of natural graphite. It occurs in veins along intrusive contacts in solid lumps, and it is only commercially mined in Sri Lanka.[109]

According to the USGS, world production of natural graphite was 1.1 million tonnes in 2010, to which China contributed 800,000 t, India 130,000 t, Brazil 76,000 t, North Korea 30,000 t and Canada 25,000 t. No natural graphite was reported mined in the United States, but 118,000 t of synthetic graphite with an estimated value of $998 million was produced in 2009.[109]

Diamond

Diamond output in 2005

The diamond supply chain is controlled by a limited number of powerful businesses, and is also highly concentrated in a small number of locations around the world (see figure).

Only a very small fraction of the diamond ore consists of actual diamonds. The ore is crushed, during which care has to be taken in order to prevent larger diamonds from being destroyed in this process and subsequently the particles are sorted by density. Today, diamonds are located in the diamond-rich density fraction with the help of X-ray fluorescence, after which the final sorting steps are done by hand. Before the use of X-rays became commonplace, the separation was done with grease belts; diamonds have a stronger tendency to stick to grease than the other minerals in the ore.[110]

Historically diamonds were known to be found only in alluvial deposits in southern India.[111] India led the world in diamond production from the time of their discovery in approximately the 9th century BC[112] to the mid-18th century AD, but the commercial potential of these sources had been exhausted by the late 18th century and at that time India was eclipsed by Brazil where the first non-Indian diamonds were found in 1725.[113]

Diamond production of primary deposits (kimberlites and lamproites) only started in the 1870s after the discovery of the diamond fields in South Africa. Production has increased over time and now an accumulated total of 4.5 billion carats have been mined since that date.[114] About 20% of that amount has been mined in the last 5 years alone, and during the last ten years 9 new mines have started production while 4 more are waiting to be opened soon. Most of these mines are located in Canada, Zimbabwe, Angola, and one in Russia.[114]

In the United States, diamonds have been found in Arkansas, Colorado and Montana.[115][116] In 2004, a startling discovery of a microscopic diamond in the United States[117] led to the January 2008 bulk-sampling of kimberlite pipes in a remote part of Montana.[118]

Today, most commercially viable diamond deposits are in Russia, Botswana, Australia and the Democratic Republic of Congo.[119] In 2005, Russia produced almost one-fifth of the global diamond output, reports the British Geological Survey. Australia has the richest diamantiferous pipe with production reaching peak levels of 42 metric tons (41 long tons; 46 short tons) per year in the 1990s.[115] There are also commercial deposits being actively mined in the Northwest Territories of Canada, Siberia (mostly in Yakutia territory; for example, Mir pipe and Udachnaya pipe), Brazil, and in Northern and Western Australia.

Applications

Pencil leads for mechanical pencils are made of graphite (often mixed with a clay or synthetic binder).
Sticks of vine and compressed charcoal
A cloth of woven carbon fibres
The C60 fullerene in crystalline form

Carbon is essential to all known living systems, and without it life as we know it could not exist (see alternative biochemistry). The major economic use of carbon other than food and wood is in the form of hydrocarbons, most notably the fossil fuel methane gas and crude oil (petroleum). Crude oil is distilled in refineries by the petrochemical industry to produce gasoline, kerosene, and other products. Cellulose is a natural, carbon-containing polymer produced by plants in the form of wood, cotton, linen, and hemp. Cellulose is used primarily for maintaining structure in plants. Commercially valuable carbon polymers of animal origin include wool, cashmere and silk. Plastics are made from synthetic carbon polymers, often with oxygen and nitrogen atoms included at regular intervals in the main polymer chain. The raw materials for many of these synthetic substances come from crude oil.

The uses of carbon and its compounds are extremely varied. It can form alloys with iron, of which the most common is carbon steel. Graphite is combined with clays to form the 'lead' used in pencils used for writing and drawing. It is also used as a lubricant and a pigment, as a molding material in glass manufacture, in electrodes for dry batteries and in electroplating and electroforming, in brushes for electric motors and as a neutron moderator in nuclear reactors.

Charcoal is used as a drawing material in artwork, barbecue grilling, iron smelting, and in many other applications. Wood, coal and oil are used as fuel for production of energy and heating. Gem quality diamond is used in jewelry, and industrial diamonds are used in drilling, cutting and polishing tools for machining metals and stone. Plastics are made from fossil hydrocarbons, and carbon fiber, made by pyrolysis of synthetic polyester fibers is used to reinforce plastics to form advanced, lightweight composite materials.

Carbon fiber is made by pyrolysis of extruded and stretched filaments of polyacrylonitrile (PAN) and other organic substances. The crystallographic structure and mechanical properties of the fiber depend on the type of starting material, and on the subsequent processing. Carbon fibers made from PAN have structure resembling narrow filaments of graphite, but thermal processing may re-order the structure into a continuous rolled sheet. The result is fibers with higher specific tensile strength than steel.[120]

Carbon black is used as the black pigment in printing ink, artist's oil paint and water colours, carbon paper, automotive finishes, India ink and laser printer toner. Carbon black is also used as a filler in rubber products such as tyres and in plastic compounds. Activated charcoal is used as an absorbent and adsorbent in filter material in applications as diverse as gas masks, water purification, and kitchen extractor hoods, and in medicine to absorb toxins, poisons, or gases from the digestive system. Carbon is used in chemical reduction at high temperatures. Coke is used to reduce iron ore into iron (smelting). Case hardening of steel is achieved by heating finished steel components in carbon powder. Carbides of silicon, tungsten, boron and titanium, are among the hardest known materials, and are used as abrasives in cutting and grinding tools. Carbon compounds make up most of the materials used in clothing, such as natural and synthetic textiles and leather, and almost all of the interior surfaces in the built environment other than glass, stone and metal.

Diamonds

The diamond industry falls into two categories: one dealing with gem-grade diamonds and the other, with industrial-grade diamonds. While a large trade in both types of diamonds exists, the two markets function dramatically differently.

Unlike precious metals such as gold or platinum, gem diamonds do not trade as a commodity: there is a substantial mark-up in the sale of diamonds, and there is not a very active market for resale of diamonds.

Industrial diamonds are valued mostly for their hardness and heat conductivity, with the gemological qualities of clarity and color being mostly irrelevant. About 80% of mined diamonds (equal to about 100 million carats or 20 tonnes annually) are unsuitable for use as gemstones are relegated for industrial use (known as bort).[121] synthetic diamonds, invented in the 1950s, found almost immediate industrial applications; 3 billion carats (600 tonnes) of synthetic diamond is produced annually.[122]

The dominant industrial use of diamond is in cutting, drilling, grinding, and polishing. Most of these applications do not require large diamonds; in fact, most diamonds of gem-quality except for their small size can be used industrially. Diamonds are embedded in drill tips or saw blades, or ground into a powder for use in grinding and polishing applications.[123] Specialized applications include use in laboratories as containment for high pressure experiments (see diamond anvil cell), high-performance bearings, and limited use in specialized windows.[124][125] With the continuing advances in the production of synthetic diamonds, new applications are becoming feasible. Garnering much excitement is the possible use of diamond as a semiconductor suitable for microchips, and because of its exceptional heat conductance property, as a heat sink in electronics.[126]

Precautions

Worker at carbon black plant in Sunray, Texas (photo by John Vachon, 1942)

Pure carbon has extremely low toxicity to humans and can be handled safely in the form of graphite or charcoal. It is resistant to dissolution or chemical attack, even in the acidic contents of the digestive tract. Consequently, once it enters into the body's tissues it is likely to remain there indefinitely. Carbon black was probably one of the first pigments to be used for tattooing, and Ötzi the Iceman was found to have carbon tattoos that survived during his life and for 5200 years after his death.[127] Inhalation of coal dust or soot (carbon black) in large quantities can be dangerous, irritating lung tissues and causing the congestive lung disease, coalworker's pneumoconiosis. Diamond dust used as an abrasive can be harmful if ingested or inhaled. Microparticles of carbon are produced in diesel engine exhaust fumes, and may accumulate in the lungs.[128] In these examples, the harm may result from contaminants (e.g., organic chemicals, heavy metals) rather than from the carbon itself.

Carbon generally has low toxicity to life on Earth; but carbon nanoparticles are deadly to Drosophila.[129]

Carbon may burn vigorously and brightly in the presence of air at high temperatures. Large accumulations of coal, which have remained inert for hundreds of millions of years in the absence of oxygen, may spontaneously combust when exposed to air in coal mine waste tips, ship cargo holds and coal bunkers,[130][131] and storage dumps.

In nuclear applications where graphite is used as a neutron moderator, accumulation of Wigner energy followed by a sudden, spontaneous release may occur. Annealing to at least 250 °C can release the energy safely, although in the Windscale fire the procedure went wrong, causing other reactor materials to combust.

The great variety of carbon compounds include such lethal poisons as tetrodotoxin, the lectin ricin from seeds of the castor oil plant Ricinus communis, cyanide (CN), and carbon monoxide; and such essentials to life as glucose and protein.

See also

References

  1. ^ Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  2. ^ a b Haaland, D (1976). "Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon". Carbon. 14 (6): 357–361. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5.
  3. ^ a b Savvatimskiy, A (2005). "Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)". Carbon. 43 (6): 1115–1142. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
  4. ^ "Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical" (PDF). Retrieved 2007-12-06.
  5. ^ "Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP" (PDF). Retrieved 2007-12-06.
  6. ^ "Carbon: Binary compounds". Retrieved 2007-12-06.
  7. ^ a b c d e Properties of diamond, Ioffe Institute Database
  8. ^ "Material Properties- Misc Materials". www.nde-ed.org. Retrieved 12 November 2016.
  9. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  10. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
  11. ^ "History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky". Caer.uky.edu. Retrieved 2008-09-12.
  12. ^ Senese, Fred (2000-09-09). "Who discovered carbon?". Frostburg State University. Retrieved 2007-11-24.
  13. ^ "carbon | Facts, Uses, & Properties". Encyclopedia Britannica. Archived from the original on 2017-10-24.
  14. ^ "carbon". Britannica encyclopedia.
  15. ^ a b c "Carbon – Naturally occurring isotopes". WebElements Periodic Table. Archived from the original on 2008-09-08. Retrieved 2008-10-09.
  16. ^ "History of Carbon". Archived from the original on 2012-11-01. Retrieved 2013-01-10.
  17. ^ Reece, Jane B. (31 October 2013). Campbell Biology (10 ed.). Pearson. ISBN 9780321775658.
  18. ^ a b "World of Carbon – Interactive Nano-visulisation in Science & Engineering Education (IN-VSEE)". Archived from the original on 2001-05-31. Retrieved 2008-10-09.
  19. ^ a b Chemistry Operations (December 15, 2003). "Carbon". Los Alamos National Laboratory. Archived from the original on 2008-09-13. Retrieved 2008-10-09.
  20. ^ Deming, Anna (2010). "King of the elements?". Nanotechnology. 21 (30): 300201. Bibcode:2010Nanot..21D0201D. doi:10.1088/0957-4484/21/30/300201. PMID 20664156.
  21. ^ Greenville Whittaker, A. (1978). "The controversial carbon solid−liquid−vapour triple point". Nature. 276 (5689): 695–696. Bibcode:1978Natur.276..695W. doi:10.1038/276695a0.
  22. ^ Zazula, J. M. (1997). "On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam" (PDF). CERN. Archived (PDF) from the original on 2009-03-25. Retrieved 2009-06-06.
  23. ^ a b Greenwood and Earnshaw, pp. 289–292.
  24. ^ Greenwood and Earnshaw, pp. 276–8.
  25. ^ Irifune, Tetsuo; Kurio, Ayako; Sakamoto, Shizue; Inoue, Toru; Sumiya, Hitoshi (2003). "Materials: Ultrahard polycrystalline diamond from graphite". Nature. 421 (6923): 599–600. Bibcode:2003Natur.421..599I. doi:10.1038/421599b. PMID 12571587.
  26. ^ Dienwiebel, Martin; Verhoeven, Gertjan; Pradeep, Namboodiri; Frenken, Joost; Heimberg, Jennifer; Zandbergen, Henny (2004). "Superlubricity of Graphite" (PDF). Physical Review Letters. 92 (12): 126101. Bibcode:2004PhRvL..92l6101D. doi:10.1103/PhysRevLett.92.126101. PMID 15089689. Archived (PDF) from the original on 2011-09-17.
  27. ^ Deprez, N.; McLachan, D. S. (1988). "The analysis of the electrical conductivity of graphite conductivity of graphite powders during compaction". Journal of Physics D: Applied Physics. 21 (1): 101–107. Bibcode:1988JPhD...21..101D. doi:10.1088/0022-3727/21/1/015.
  28. ^ Collins, A. T. (1993). "The Optical and Electronic Properties of Semiconducting Diamond". Philosophical Transactions of the Royal Society A. 342 (1664): 233–244. Bibcode:1993RSPTA.342..233C. doi:10.1098/rsta.1993.0017.
  29. ^ Delhaes, P. (2001). Graphite and Precursors. CRC Press. ISBN 978-90-5699-228-6.
  30. ^ a b c Unwin, Peter. "Fullerenes(An Overview)". Archived from the original on 2007-12-01. Retrieved 2007-12-08.
  31. ^ a b Ebbesen, T. W., ed. (1997). Carbon nanotubes—preparation and properties. Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-0-8493-9602-1.
  32. ^ a b Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Avouris, Ph., eds. (2001). Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications. Topics in Applied Physics. 80. Berlin. ISBN 978-3-540-41086-7.
  33. ^ a b Nasibulin, Albert G.; Pikhitsa, P. V.; Jiang, H.; Brown, D. P.; Krasheninnikov, A. V.; Anisimov, A. S.; Queipo, P.; Moisala, A.; et al. (2007). "A novel hybrid carbon material". Nature Nanotechnology. 2 (3): 156–161. Bibcode:2007NatNa...2..156N. doi:10.1038/nnano.2007.37. PMID 18654245. S2CID 6447122.
  34. ^ Nasibulin, A.; Anisimov, Anton S.; Pikhitsa, Peter V.; Jiang, Hua; Brown, David P.; Choi, Mansoo; Kauppinen, Esko I. (2007). "Investigations of NanoBud formation". Chemical Physics Letters. 446 (1): 109–114. Bibcode:2007CPL...446..109N. doi:10.1016/j.cplett.2007.08.050.
  35. ^ Vieira, R; Ledoux, Marc-Jacques; Pham-Huu, Cuong (2004). "Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C2H6/H2 over nickel catalyst". Applied Catalysis A: General. 274 (1–2): 1–8. doi:10.1016/j.apcata.2004.04.008.
  36. ^ a b Clifford, Frondel; Marvin, Ursula B. (1967). "Lonsdaleite, a new hexagonal polymorph of diamond". Nature. 214 (5088): 587–589. Bibcode:1967Natur.214..587F. doi:10.1038/214587a0.
  37. ^ a b c Harris, PJF (2004). "Fullerene-related structure of commercial glassy carbons" (PDF). Philosophical Magazine. 84 (29): 3159–3167. Bibcode:2004PMag...84.3159H. CiteSeerX 10.1.1.359.5715. doi:10.1080/14786430410001720363. Archived from the original (PDF) on 2012-03-19. Retrieved 2011-07-06.
  38. ^ Rode, A. V.; Hyde, S. T.; Gamaly, E. G.; Elliman, R. G.; McKenzie, D. R.; Bulcock, S. (1999). "Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation". Applied Physics A: Materials Science & Processing. 69 (7): S755–S758. Bibcode:1999ApPhA..69S.755R. doi:10.1007/s003390051522.
  39. ^ a b c Heimann, Robert Bertram; Evsyukov, Sergey E. & Kavan, Ladislav (28 February 1999). Carbyne and carbynoid structures. Springer. pp. 1–. ISBN 978-0-7923-5323-2. Archived from the original on 23 November 2012. Retrieved 2011-06-06.
  40. ^ Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. (2008). "Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene". Science. 321 (5887): 385–8. Bibcode:2008Sci...321..385L. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. S2CID 206512830. Lay summary.
  41. ^ Sanderson, Bill (2008-08-25). "Toughest Stuff Known to Man : Discovery Opens Door to Space Elevator". nypost.com. Archived from the original on 2008-09-06. Retrieved 2008-10-09.
  42. ^ Jin, Zhong; Lu, Wei; O’Neill, Kevin J.; Parilla, Philip A.; Simpson, Lin J.; Kittrell, Carter; Tour, James M. (2011-02-22). "Nano-Engineered Spacing in Graphene Sheets for Hydrogen Storage". Chemistry of Materials. 23 (4): 923–925. doi:10.1021/cm1025188. ISSN 0897-4756.
  43. ^ Jenkins, Edgar (1973). The polymorphism of elements and compounds. Taylor & Francis. p. 30. ISBN 978-0-423-87500-3. Archived from the original on 2012-11-23. Retrieved 2011-05-01.
  44. ^ Rossini, F. D.; Jessup, R. S. (1938). "Heat and Free Energy of Formation of Carbon Dioxide and of the Transition Between Graphite and Diamond". Journal of Research of the National Bureau of Standards. 21 (4): 491. doi:10.6028/jres.021.028.
  45. ^ Grochala, Wojciech (2014-04-01). "Diamond: Electronic Ground State of Carbon at Temperatures Approaching 0 K". Angewandte Chemie International Edition. 53 (14): 3680–3683. doi:10.1002/anie.201400131. ISSN 1521-3773. PMID 24615828. S2CID 13359849.
  46. ^ Schewe, Phil & Stein, Ben (March 26, 2004). "Carbon Nanofoam is the World's First Pure Carbon Magnet". Physics News Update. 678 (1). Archived from the original on March 7, 2012.
  47. ^ Itzhaki, Lior; Altus, Eli; Basch, Harold; Hoz, Shmaryahu (2005). "Harder than Diamond: Determining the Cross-Sectional Area and Young's Modulus of Molecular Rods". Angew. Chem. Int. Ed. 44 (45): 7432–5. doi:10.1002/anie.200502448. PMID 16240306.
  48. ^ "Researchers Find New Phase of Carbon, Make Diamond at Room Temperature". news.ncsu.edu. 2015-11-30. Archived from the original on 2016-04-06. Retrieved 2016-04-06.
  49. ^ Rabie, Passant (6 July 2020). "Astronomers Have Found The Source Of Life In The Universe". Inverse. Retrieved 7 July 2020.
  50. ^ Marigo, Paola; et al. (6 July 2020). "Carbon star formation as seen through the non-monotonic initial–final mass relation". Nature Astronomy. 152. doi:10.1038/s41550-020-1132-1. Retrieved 7 July 2020.
  51. ^ a b c Hoover, Rachel (21 February 2014). "Need to Track Organic Nano-Particles Across the Universe? NASA's Got an App for That". NASA. Archived from the original on 6 September 2015. Retrieved 2014-02-22.
  52. ^ Lauretta, D.S.; McSween, H.Y. (2006). Meteorites and the Early Solar System II. Space science series. University of Arizona Press. p. 199. ISBN 978-0-8165-2562-1. Archived from the original on 2017-11-22. Retrieved 2017-05-07.
  53. ^ Mark, Kathleen (1987). Meteorite Craters. University of Arizona Press. ISBN 978-0-8165-0902-7.
  54. ^ "Online Database Tracks Organic Nano-Particles Across the Universe". Sci Tech Daily. February 24, 2014. Archived from the original on March 18, 2015. Retrieved 2015-03-10.
  55. ^ William F McDonough The composition of the Earth Archived 2011-09-28 at the Wayback Machine in Majewski, Eugeniusz (2000). Earthquake Thermodynamics and Phase Transformation in the Earth's Interior. ISBN 978-0126851854.
  56. ^ Yinon Bar-On; et al. (Jun 19, 2018). "The biomass distribution on Earth". PNAS. 115 (25): 6506–6511. doi:10.1073/pnas.1711842115. PMC 6016768. PMID 29784790.
  57. ^ Fred Pearce (2014-02-15). "Fire in the hole: After fracking comes coal". New Scientist. 221 (2956): 36–41. Bibcode:2014NewSc.221...36P. doi:10.1016/S0262-4079(14)60331-6. Archived from the original on 2015-03-16.
  58. ^ "Wonderfuel: Welcome to the age of unconventional gas" Archived 2014-12-09 at the Wayback Machine by Helen Knight, New Scientist, 12 June 2010, pp. 44–7.
  59. ^ Ocean methane stocks 'overstated'