Karbon, tüm hayvansal ve bitkisel maddelerin temel bileşenlerindendir. Kömür, elmas, grafit, doğalgaz, fosil yakıtlar gibi önemli maddeler temel olarak karbonun bir formudur. Karbonun diğer elementlerden farklı özgün bir yapısı vardır. Karbon döngüsü canlı yaşamının devamını ve ekolojik dengeyi sağlar.
Karbonun geçmişi ile ilgili net bilgiler bulunmuyor. Ancak antik çağlardan beri bilinen ve kullanılan bir madde. Karbonun kömür, elmas ve grafitin bir formu olduğu çok eski tarihlerden beri biliniyor. İngiliz kimyager Harry Kroto, 1960 ve 70’li yıllarda karbonun atomu ve bileşikleri ilgili çok detaylı çalışma, deney ve araştırmalar yaptı. Günümüze kadar yapılan deney ve araştırmalar sonucu da karbonun insan hayatı için ne denli önemli bir element olduğu ortaya çıkarıldı.
Kimyasal Yapısı ve Özellikleri
Doğada yaygın olarak bulunan ametal bir element olan karbonun kimyasal sembolü “C”dir. Atom numarası 6, atom ağırlığı 12,011’dir. 3727 derecede erir, 4830 derecede kaynar. Karbon, periyodik element cetvelinde 4-A grubunda yer bir elementtir. Silisyum, germenyum, kalay ve kurşun gibi elementlerle aynı gruptadır. Bu gruptaki elementlerin temsil edici işlevi vardır ve kimyasal formları diğer elementlerden farklıdır.
Doğada saf olarak ve farklı elementlerle bileşik halinde bulunabilir. Dört milyondan fazla bileşik; yani bileşiklerin yaklaşık yüzde 95’i karbon içerir. Çok sayıda organik bileşiğin temel maddesidir. Elmas ve grafit en katışıksız, kristalin, element karbon formlarıdır. Maden kömürü, kok kömürü, odun kömürü gibi bileşenler ise daha az katkılı karbon bileşikleridir.
Karbon, yerkabuğunun yüzde 0,2’sini ihtiva eder. En bol bulunan elementler arasında altıncı sıradadır. Atmosferde hacim olarak yüzde 0,03 oranında karbondioksit olarak bulunur. Doğal sularda erişim olarak bulunan karbonatlar ve hidrokarbonlar en bol bulunan karbon bileşikleridir. Kireçtaşı gibi birçok mineral, dolomit yatakları, mermer, istiridye kabuğu, deniz yatakları ve karbonatlar bir karbon içeriğidir.
Doğal karbonun 5 adet radyoaktif izotopu bulunuyor. Radyoaktif izotoplar arasında en stabil olan “C12” izotopudur. Karbonun yüzde 98,89’unu oluşturan “C12” izotopu, karbonun en bol bulunan izotopudur. Atom ağırlığı konusunda uluslararası standart olarak kullanılan bu izotop, atom kütlesi birimi olarak “12 dalton” değerindedir.
Karbonun metal ve ametal elementlerden ayrıldığı önemli bir fark da, iyonik değil kovalent bağ oluşturmasıdır. Karbonun allotroplarından (kristal biçimi) en önemlileri ise, elmas, grafit, fullerenler ve kömürdür. Kömür; karbonun belirgin, kendilerine özgün bir yapısı olmayan “amorf karbon” türünde bir maddedir.
Karbonun bileşikleri, allotropları ve yapıları ile ilgili dikkat çeken bazı noktaları sıralayalım:
- Karbon, oksijen ve azotla çok farklı şekil ve sıralamalarda binlerce farklı madde ve bileşik oluşturabilir.
- Karbonun birbiri ardına dizilerek çok kolay zincir oluşturması en önemli özelliğidir.
- Elmas, karbon ve karbon bağlarının yapısı ve dayanıklılığı sebebiyle sert ve eylemsizdir.
- Grafit, karbonun en yaygın allotropudur. Yağlı ve iz bırakan özelliği sebebiyle kurşun kalem içlerinde ve uçlarında, yağlarda kullanılır.
- Grafitten özel yöntemlerle elde edilen nanometre boyundaki tüplere “nanotüp” adı verilir. Bu tüpler yüksek duyarlı dedektör yapımında kullanılır.
- Renksiz elmas bilinen en sert maddeyken, siyah renkli grafit yumuşaktır.
- Doğada en bol bulunan karbon bileşikleri metal karbonlarıdır. Bunlara örnek olarak; karbondioksit, kalsiyum karbonat (animoasit), kömür ve tebeşir gösterilebilir.
- Element karbon; ağırdır, sulandırılmış asitler, bazlar ve organik çözücülerde erimez.
- Karbon; potasyum nitrat gibi oksitleyici maddelerle melitik asidi oluşturur. Yüksek sıcaklıklarda bazı metallerle karbürleri meydana getirir.
- Ham petrolden üretilen petrol türevleri, karbon zincirinden oluşan maddelerdir.
- Hidrokarbonlar, karbonun hidrojenle oluşturduğu bileşiktir. Metan gazı veya bataklık gazı en basit hidrokarbondur. Metan gazı, doğalgazın başlıca bileşiğidir. Bütün yağlar hidrokarbondur.
- Karbondioksit ve karbonmonoksit, karbonun oksijenle yaptığı en basit bileşiklerdir. İkisi de gazdır ve karbonmonoksit zehirlidir. Mars’ın yüzde 96’sı karbondioksit içerir.
- Kok kömürü yüzde 90 oranında karbon içerir. Kok kömürü ve mangal kömürleri amorf karbondur.
- Saf karbon, şekerin havasız ortamda ısıtılarak ayrıştırılması sonucu elde edilir.
- Hücre zarı, ağaç kabuğu, yumurta akı, göz merceği gibi organik yapılar karbon içerir.
Bazı Karbon Terimleri
Karbon bileşiklerinin bazıları önemli işlevler görür. Bu bileşiklerden ve bazı karbon terimlerinden de biraz bahsedelim:
Fullerenler: Karbonun yapay allotroplardır.Beşgen, altıgan ve yedigen kristaller içerebilir. “Buckminstefuleren” veya “Buckyballs” adları ile de bilinir. 60 karbon atomundan meydana gelen bir moleküldür. “Karbon60” veya “C60” olarak da tanımlanır. Yarıçapı 1 nanometredir. Uzaydaki gezegenimsi bir bulutsuda fullerenlerin varlığı tespit edilmiştir. Dünya dışında varlığı kanıtlanmış en büyük moleküllerdir.
Karbon siyahı (karası): Katışıksız, siyah bir tozdur. Çok ince tanecikli elementer karbondur. Bu taneciklerin çapı 25-400 milimikron ölçüsünde olabilir. Gaz ve sıvı haldeki hidrokarbonların az yanmasıyla elde edilir veya petrolün tam yanmaması haline verilen addır. Pigmentlerde, mürekkeplerde ve kauçuk ve lastik üretiminde kullanılır. Kullanılan ürüne aşınmaya karşı direnç kazandırır.
Aktif karbon: Odun, kömür, kemik, yağ ürünleri, fındık ve pirinç kabukları gibi elde edilen karbonların çeşitli işlemlerden geçirilmesi sonucu elde edilir. Önemli bir adsorbandır. İç gözenekleri geniştir. İnsan sağlığına zarar vermez. Toz, granüle ve pelet olarak üretilebilir. (Adsorban: Zehirli madde moleküllerinin yüzeyine yapışan ve emilmesini engelleyen madde)
Karbonat: Bir organik bileşik veya metalin karbonik asitle reaksiyonu sonucu oluşan maddedir. Metallerle reaksiyonu sonucu kalsiyum karbonat gibi tuzlar oluşturur. Organik bileşiklerle reaksiyonu sonucu da difenil karbonat veya dietil karbonat formları meydana gelir.
Karbonmonoksit: İnorganik bir bileşiktir. Gaz veya sıvı halde olabilir; kokusuz ve renksizdir. Yanıcıdır, alevi mor renklidir. Zehirli ve patlayıcı bir gazdır. Alkol ve benzenle iyi, suda az çözünür. Özel çelik üretiminde kullanımı yaygındır.
Karbondisülfür: İnorganik bir bileşiktir. Saf hali kokusuzdur, diğer formlarının da ağır bir kokusu vardır. Parlak, renksiz veya sarımsı bir sıvıdır. Çok yanarsa patlar, sürtünmeyle tutuşabilir.
Karbontetraklorür: Buharı havadan 5 kat daha ağır, klorlanmış, renksiz, tatlı, kokulu hidrokarbon bir sıvıdır. Suda çözünmez. Patlayıcı değildir. Solunması halinde zehirleyebilir. Soğutucularda kullanımı yaygındır.
Nerelerde Kullanılır?
Karbon, endüstrinin vazgeçilmez bir maddesidir. Gelişmiş ülkelerin ekonomilerinin gelişmişlik düzeyleri; karbonlu bileşikler içeren ürünler, yakıtlar, kimyasal maddeler ve ilaçların üretilmesi ve işlenmesi ile bağlantılıdır. Karbon bileşikli sentetik ürünler, ülkelerin ekonomik gelişimlerinde önemli rol oynar.
Demir-çelik sektöründe kullanımı yaygındır. Yüksek fırınlarda demir cevherinin indirgenmesinde kullanılır. Karbondioksit içecekleri karbonatlanmasında, karbonmonoksit metalürjide indirgeyici olarak kullanılır. Karbon fiber, dayanıklı ve hafif kompozit bir malzemedir; otomotiv ve uçak sanayisinde önemli bir üründür.
Karbon kullanılan ve içeren bazı sektör ve ürünler şunlardır: Matbaa mürekkebi, demir alaşımlarının işlenmesi, çelik sanayisi, nükleer tepkimelerin kontrolü, lastikler, plastikler, boya pigmentleri, yağ ve türevleri, kurşun kalemler, enerji santralleri…
Karbon Döngüsü Nedir?
Yaşamın devamı için yeterli çeşitlilik ve karmaşıklıkta düzenlemeler oluşturan ve yüz binlerce bileşik oluşturma yeteneği olan tek element karbondur. Öyle ki, karbon içeren bileşiklerden bazıları, canlıların yüzde 18’ini oluşturur. Bu bileşikler canlı hücrelerin yapıtaşıdır. Karbon; oksijen, hidrojen, azot, kükürt ve fosfor başta olmak üzere bazı elementlerle birlikte canlı hayatını ve hayatın devamı için gerekli bir maddedir.
Genel olarak karbon atomlarının kimyasal, fiziksel ve jeolojik gibi bazı süreçler sonunda atmosferde, sularda, denizlerde ve yeryüzündeki dolaşımına “karbon döngüsü” adı verilir. Karbon döngüsü, yaşamın devamı için hayati önemde bir olaydır. Bu döngünün kaynağı atmosferde ve su kaynaklarında çözünmüş olan karbondioksittir. Atmosfer (havaküre), hidrosfer (suküre), litosfer (taşküre), biyosfer (canlı küre) arasında gerçekleşen karbon döngüsü; yaşamın en önemli süreci olan fotosentez olayının ana aktörüdür. Sıcaklıkların aşırı düşmesine ve yükselmesine engel olarak iklimsel ve ekolojik denge de sağlar.
Atmosferdeki karbondioksit miktarının artması “sera etkisi” dediğimiz duruma yol açar. “Sera gazı” adı da verilen bu durum, karbon döngüsünün işleyişini olumsuz etkiler. Ormanlardaki ağaçların kesilmesi, orman yangınları, sanayide ve ulaşım araçlarında kullanılan kömür ve fosil yakıtlar gibi çevreyi olumsuz etkileyen uygulamalar sera gazı etkisine yol açar ve karbon dengesi bozulur. Böylece buzullar erir, deniz seviyesi yükselir ve iklimler değişir.