Karbon Nedir ?

Karbon Tanımı, Karbon Özellikleri Nelerdir ?

Karbon, çok yaygın bir şekilde doğada bileşik ya da serbest halde bulunan ve kimyasal simgesi “ C “ olan bir ametaldir. Dünya tarihine bakıldığında ilk olarak Mısırlılar ve Sümerler tarafından Milattan Önce 3500-4000 Yılları arasında bulunmuştur. Yani antik dönemden beri bilinen birkaç nadir elementten biridir. Ancak element olarak ilk keşfi, 1789 yılında Antoine Lavoisier tarafından yapılmıştır.

Karbon ve Bulunma Sıklığı

Evrende, hidrojen, helyum ve oksijenden sonra en fazla karbon bulunur. Karbon elementi bilinen yaşamın kaynağı olarak nitelendirilir. Biyolojik organizmalarda reaksiyonlarda bulunması, organik bileşiklerin hepsinde bulunması, polimer diye nitelendirilen plastik tabanlı bütün malzemelerde yer alması, en yaygın element olmasında başlıca nedenler arasındadır. Ayrıca, insan bedeninde oksijenden sonra en fazla bulunan ikinci elementtir. 

Bilinen en fazla bileşik yapabilen element karbondur. Yaklaşık 10 milyon farklı bileşik türü mevcuttur. Bilinen en yüksek ergime sıcaklığına sahip metallerden olan tungstenin bile eridiği sıcaklıklarda stabil bir şekilde kalabilmektedir. 

Tüm yer kabuğunda, 4000 milyon gigaton karbon bulunduğu tahmin edilmektedir. Bu miktar bütün okyanus ve atmosferdeki miktardan fazladır. Neredeyse aklınıza gelen her şeyde bu element bulunmaktadır. Örnek olarak; 

Denizlerde, atmosferdeki karbon monoksit, dioksit gazlarda, petrol kaynaklı yakıtlarda ( doğalgaz, kömür vb. ), yağlarda, hidrokarbon bileşiklerinin tümünde, plastiklerde… Örnekler çoğaltılabilmektedir. 


Karbon ve Özellikleri

  • Ametal statüsündedir. Birbirlerine kovalent bağ ile bağlanırlar.
  • Atom Numarası : 6’dır.
  • Atom Ağırlığı : 12’dir.
  • Rengi, farklı allotropik yapılarda farklıdır. Kömür siyah iken, elmas renksizdir. 
  • Yeryüzünde en çok bulunan 6. Element olma özelliğini göstermektedir.
  • Oda sıcaklığında katı halde bulunmaktadır. Atmosferik basınç şartlarında sıvı hale gelmez. Süblimleşir. Yani katıdan direkt olarak buhar fazına geçer. Bu sıcaklık da 3642 °C’dir.Bu da bilinen en yüksek süblimleşme sıcaklığıdır. 
  • Periyodik cetvelde P bloğunda, 2. Periyod, 14. Grupta bulunur. 
  • Demir ve bakır gibi metaller ile kıyaslandığında, oksijene olan ilgisi yok denecek kadar azdır. Ancak çok yüksek sıcaklıklarda oksidasyona uğrar. 
  • Sülfirik asit ya da hidroklorik asitler ile reaksiyona girmez.
Karbon

Periyodik Tabloda Karbon

Farklı kimyasal dizilimlerde bulunan karbon atomları, allotrop meydana getirir. Elmas da, grafit de saf karbon atomlarından meydana gelmektedir. Sadece karbon atomlarının dizilimleri farkından dolayı bambaşka özellikler göstermektedir.

Karbon Allotropi

Karbon Allotropi

Örnek verecek olursak; grafit ve elmas da karbon bileşikleridir.  Aralarındaki fark, karbon atomlarının farklı allotropik yapıda birleşmeleridir. Elmas, 3 boyutlu bir şekilde birleşir. Tek bir “ C “ atomu, 4 farklı “ C “ atomu ile güçlü bir bağ yapar. Grafit üst üste levha şeklinde 2 boyutlu bir biçimde birleşmektedir. Grafitte, bu atomlar birbirleri üstünden levha halinde rahat bir şekilde kayıp gidebilirlerken, elmasta bu olay çok zordur. Güçlü bağ yapısı buna izin vermez.

Grafit-Karbon Kullanımı

Kurşun Kalem – Grafit

Kurşun kalemlerin ucu grafittir. Bir önceki paragrafta da bahsettiğimiz üzere, levhalar halinde birbirleri üzerilerine yığın halinde bulunan karbon atomları, bir kuvvet etki ettiğinde kolay bir şekilde ayrılabilmektedir. Bu özelliklerinden dolayı kurşun kalemlerde kullanılabilirler. 

Elmas


Saf hali ile doğada bulunan elmas, karbon atomlarının her birinin 4 farklı karbon atomu ile çok güçlü bağ yapması ile meydana gelir. Kristal yapısı, kübik sistemlidir. Ancak çok çok yüksek basınçlarla karbon atomları grafitten elmasa doğru oluşum gösterirler. Yoğunluğu grafitin iki katıdır.

Elmas

Elmas

Bilinen doğal en sert malzemedir. Kimyasal olarak tepkimeye girmez ve renksiz, saydam bir malzemedir. Elmas, ısıyı çok iyi iletirken, elektriği iletmez, yani elektriksel olarak yalıtkandır. Elmas bilinen en iyi aşındırıcıdır.

Grafit

Daha önceki paragraflarda da bahsettiğimiz üzere, burada karbon atomları birbirlerine üst üste ince plakalar halinde Van Der Waals bağları ile bağlıdır. Hekzagonal bir kristal yapıya sahiptir. Sahip olduğu bağlar çok zayıf bağlar olup, grafitin, kağıt üzerine sürüldüğünde bile kopup iz çıkarması bu nedenledir. Grafit, elektriği çok iyi iletirken, elmas elektriksel olarak yalıtkan bir malzemedir. Ayrıca grafit, bilinen en yumuşak malzemelerden biridir. Elmas, bilinen en sert malzemedir ancak; elmas ile aynı atomlara sahip olan grafit, çok iyi bir yağlayıcıdır. Çalışan parçaların arasında kullanılır ise, sürtünme kayıplarını minimuma indirir.

Karbon-Grafit

Grafit

Grafen

Grafen, karbon atomu kullanılarak elde edilen ve son yıllardaki en büyük başarılara imza atan yeni tip bir malzeme türüdür. Grafitte anlattığımız yapıyı gözünüzde canlandırın. Üst üste yığılmış ince plakalar halinde ” C ” atomları sadece tek bir plakasını aldığınızı düşünün. İşte sonsuz sayıda ” C ” atomu tek bir düzlemde yayılmış hali ile üretildiğinde ortaya grafen çıkmaktadır. Grafen sadece ” 1 Atom ” yüksekliğindedir.

Grafen Atom Dizilişi

Grafen Atom Dizilişi

Aynı ebatlardaki bir çeliğe göre, 100 kat daha sağlamdır. Isıyı ve elektriği çok az kayıpla iletirken aynı zamanda transparan bir görünüme sahiptir. Yarı iletkenler, elektrik-elektronik, kompozit malzemeler ve enerji sektöründe kullanılabilecek üstün özelliklere sahiptir.

Çok genel bir tabir ile kısaca açıklasak bile, grafen ayrı ve uzun bir makale konusudur. Ancak; ilerleyen yıllarda bilim bu malzemenin önemini daha da anlayıp, günlük uygulamalar katmaya başladıkça, insanlık da grafenin ne kadar mükemmel bir son teknoloji malzemesi olduğunu idrak edecektir. Ancak; grafenin uygulamasında şöyle bir kısıtlama vardır. ( Şimdilik ! )

İlk paragrafta da bahsettiğimiz üzere, grafen tek katmanlı bir malzemedir ve gösterdiği üstün özellikleri sadece nano boyutta yapabilmektedir. Henüz mikro ölçekte bir grafen üretilip günlük hayatta kullanabileceğimiz özellikte bir grafen yapılamamıştır. Tek atom yüksekliğinde olan ( tek katman ), günlük hayatta kullanabilmek için aşırı miktarda malzeme üretilmesi gerekmekte bu da çok aşırı bir maliyet ortaya çıkarmaktadır. Ancak; bilim günden güne gelişmekte ve ilerleyen 5 – 10 yıl içerisinde neler olup biteceğiniz hep birlikte göreceğiz.

Demir ve Grafit

Karbon - Demir Reaksiyonu

Karbon – Demir Reaksiyonu

Yukarıdaki ekzotermik reaksiyonlardan görüleceği üzere, demir çelik imalatında, demir oksitler karbon ile reaksiyona girerek demir elde edilmektedir. Ayırıca, demir ile alaşım oluşturarak çeliğin temel yapısını meydana getirir. Çelik yapısında bulunarak, dayanımı ve sertliği arttırmaktadır. Ancak; daha önceki yazılarımızdan da inceleyebileceğiniz üzere, çelik yapısında fazla bulunursa kırılganlık meydana getirir. Hem şekillendirme işlemi zorlaşır hem de kaynakla birleştirme sırasında çatlama vb. gibi problemler ile karşılaşılabilir.

Elektrik Ark Fırınları ile ilgili yazımız için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Karbon ve Organik Bileşikler

Karbon atomları birbirleri arasında çok güçlü kovalent bağ oluşturmaktadır. Çok uzun zincirler halinde bu bağlar sonsuz sayıda uzar gider. Bu bağlara hidrojen atomu da girdiğinde ortaya hidrokarbon çıkmaktadır. Hidrokarbonlar organik bileşiklerdir.

Atomik bağlarla ile ilgili yazımız için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Hidrokarbon

Hidrokarbon

En az atoma sahip hidrokarbon bileşiği ” Metan ” olarak bilinmektedir. Bir ” C ”  atomuna 4 adet ” H ” atomu bağlanarak oluşmuştur. Kimyasal gösterimi CH şeklindedir. Genelde hidrokarbonlarda doymuş ve doymamış olmak üzere 2 türden bahsedilir. ” C ” atomları zinciri ne kadar çok hidrojene bağlanırsa o kadar doymuş bir yapıdır. ” C ” atomları birbirleri arasında tek bağ yapıyor ise, zincir doymuştur. Çünkü artık daha fazla bağ yapacak durumda değildir.

Yukarıda da bahsettiğimiz üzere, karbon atomları hem organik yaşamın bütününde, hem de organik kimyanın tamamında bulunmaktadır.

Bir başka örnek verecek olursak; Dünya’da petrol yataklarından çıkarılan ham petrol, işlenerek sanayide kullanılan bir çok ürüne dönüştürülmektedir. Bunlar çeşitli yağlar, petrol ürünleri, fosil yakıtlar, plastikler vb. olarak sıralanır. Bütün bu ürünlerin temel bileşini ” C ” ve ” H ” atomlarının yaptığı değişik bağlardır. Farklı kombinasyonlar farklı ürünleri beraberinde getirmektedir.

Örneklerimize farklı varyasyonlar ile devam ediyoruz;

” C ” atomu ile hidrojen farklı şekillerde birleştiğinde, şeker, alkol, yağ, ester meydana getirir. Bu bağlara ekstradan Sülfür – S atomu da eklendiğinde antibiyotik ve aminoasitler de meydana gelmektedir. Bu elementlere ilaveten fosfor da eklendiğinde genetik kodumuzu oluşturan DNA ve RNA da elde edilmiş olur.

DNA

DNA


Karbon ve Uygulamaları

Karbon, bütün yaşayan organizmalar için gereklidir. Eğer var olmasaydı çok büyük ihtimalle yaşam da mümkün olmayacaktı. En temel örnek olarak bitkilerin doğal olarak kendi bünyelerinde sentezlediği selüloz verilebilir. Selüloz, bitkilerin yapılarının temellerini oluşturan bir doğal polimer malzeme olarak nitelendirilir.

Ancak; sadece yaşam için gerekli olan moleküllerin tamamına yakınında değil, yine yaşam için gerekli olan araç gereçler için de kullanılmaktadır.

Petrol ve türevlerinin tamamı ” C ” içermektedir. Fosil yakıtlar, benzin, kerosen yine aynı şekilde ” C ” içermektedir. Her ne kadar günümüzde bu tip yakıtlardan kurtulmak ve temiz enerji kaynaklarına yönelim sağlansa da hala bu tip yakıtlar Dünya’da dominanttır, uzun yıllar da öyle kalmaya devam edeceklerdir.

İnsanoğlunun vazgeçemediği ve uzun yıllar boyunca da vazgeçemeyeceği bir diğer ürün grubu ise plastiklerdir. Plastikler sentetik olarak elde edilen polimer zincirleridir ve uygulama alanları çok geniştir. Oluşan bu karbon zincirlerine oksijen ve azot eklenerek plastikler elde edilmektedir.

Malzeme bilimi ve mühendisliğinin nispeten yeni malzemesi statüsünde olan kompozit malzemelerde kullanılan ana bileşiklerden biri olan karbon fiberler de isminden anlaşılacağı üzere ” C ” atomları içermektedir.

Wikipedia’nın konu ile ilgili makalesi için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Science Direct konu ile ilgili çok sayıda bilimsel makalesi mevcuttur. Ücretli olan bu site için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Yorum Yaz