کربن و زندگی روزمره / نقش کربن در زندگی امروز

کربن در تمامی جانداران وجود داشته و دارای پایه‌ای شیمی آلی است. این غیر فلز، ویژگی جالبی دارد که می‌تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند و به عنوان یکی از پرکاربردترین عناصر زمین شناخته می‌شود.

21 تیر, 1400

زمان تقریبی مطالعه 4 دقیقه

کربن، چهارمین عنصر فراوان در طبیعت، یکی از عناصر بسیار ضروری برای حیات انسان است. کربن عنصری شیمیایی با نماد C و عدد اتمی ۶ است. واژه کربن برگرفته از واژه‌ای لاتین به‌نام کربو به معنای زغال‌سنگ است. این عنصر، که در رده عناصر غیرفلزی جای می‌گیرد، چهارظرفیتی است، به این معنی که چهار الکترون در دسترس برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی دارد. کربن از گروه چهاردهم در جدول تناوبی بوده 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.

کربن در تمامی جانداران وجود دارد و پایه شیمی آلی را تشکیل می‌دهد. همچنین این غیر فلز ویژگی جالبی دارد که می‌تواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند (تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب). در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن میکند که برای رشد گیاهان، حیاتی است. در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدروکربنها را بوجود می‌آورد که به شکل سوخت‌های فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب شود، گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را میسازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوه ها است، ضروری به شمار می‌رود.ایزوتوپ C-14 به طور متداول در سن یابی رادیواکتیو کاربرد دارد.

کاربردهای کربن

کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که می‌دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت. عمده‌ترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربن‌ها است که قابل توجه ترین آن‌ها سوخت‌های فسیلی، گاز متان و نفت خام است. نفت خام در صنایع پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهم‌ترین آن‌ها بنزین، گازوئیل و نفت سفید به کار می‌رود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاه‌ها بدست می‌آیند. از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آن‌ها در مجموع پلاستیک نامیده می‌شوند، شکل می‌گیرد.

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 است، 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.

ترکیبات کربن بیشتر مواد مورد استفاده شده در در لباس مانند پارچه‌های طبیعی و مصنوعی و چرم را تشکیل می‌دهد و تقریبا تمام سطوح داخلی ساختمان به غیر از شیشه، سنگ و فلز از محصولات کربن هستند.

صنعت الماس در دو دسته متفاوت قرار می‌گیرد. دسته اول شامل الماس‌های با کیفیت است که برای استفاده در گوهرسنگ و جواهرات به کار می‌رود و دسته دوم در مصارف صنعتی کاربرد دارد. در حالی‌که تجارت بزرگی برای هر دو نوع الماس وجود دارد، با این‌ حال بازارهای مربوط به این دو نوع الماس، به‌ صورت کاملا متفاوتی عمل می‌کنند. الماس‌های مورد استفاده در جواهرات و زیور آلات، برخلاف فلزات گران‌بهایی مانند طلا یا پلاتین مثل یک کالای اقتصادی مبادله نمی‌شوند. قیمت این نوع الماس‌ها به‌ صورت قابل توجهی بالا است و در نتیجه بازار فعالی برای فروش مجدد این نوع الماس‌ها وجود ندارد. الماس‌های صنعتی بیشتر به دلیل سختی و رسانش گرمایی، از ارزش بالایی برخوردار هستند. کاربرد صنعتی عمده الماس در برش، حفاری، سنگ زنی و پولیش است.

از کربن در عمرسنجی رادیوکربنی استفاده می‌شود. اندازه‌گیری مقدار C ^۱۴ در یک نمونه از یک گیاه یا حیوان مرده، مانند یک قطعه چوب یا یک قطعه استخوان، اطلاعاتی را فراهم می‌کند که می‌توان برای محاسبه زمان مرگ حیوان یا گیاه استفاده کرد.

کربن برای کشاورزی هم اهمیت بسیار زیادی دارد، چرا که نقشی کلیدی در فتوسنتز و حفاظت از آب و هوای زمین بازی می‌کند. برای کشاورزان و دانشمندان آب و هوا، حفظ تعادل کربن مستلزم توجه زیادی به خاک، گیاهانی که در خاک رشد می‌کنند و جو است (سایت مدرن ایج).

دانشمندان آب و هوا دریافته‌اند که کربن بر روی دمای جهانی، شوری خاک، سطح اقیانوس‌ها، الگو‌های آب و هوایی و چیزهای دیگر تاثیر می‌گذارد. کشاورزی جدید تحول پیدا کرده است تا به کشاورزان کمک کند که انتشار کربن را کاهش دهند و با تغییرات آب و هوایی متناسب شوند. انتشار کربن در کشاورزی عمدتا از طریق مصرف سوخت‌های فسیلی برای تجهیزات کشاورزی اتفاق می‌افتد.

چنانچه تولید تجاری گرافن قابل دسترس شود، گرافن می‌تواند برای تحقق اهداف گوناگونی مورد استفاده قرار بگیرید. آسانسور فضایی و ذخیره ایمن هیدروژن در ماشین‌های مبتنی بر موتور هیدروژنی از جمله آن‌ها هستند.

نانولوله‌های کربنی (CNTs) لوله‌هایی هستند که از کربن ساخته شده و قطرهایی در حد نانومتر دارند. نانولوله‌های کربنی می‌توانند هدایت الکتریکی قابل توجهی داشته باشند. همچنین دارای کشش سطحی فوق‌العاده^.و هدایت حرارتی هستند (به دلیل نانوساختار بودن و استحکام پیوندهای بین اتم‌های کربن). علاوه بر این، می‌توان از نظر شیمیایی اصلاح شوند. این خواص در بسیاری از زمینه‌های فناوری، از جمله الکترونیک، نورشناسی، مواد کامپوزیت، نانوفناوری کاربرد دارد.

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، مقاومت کششی نهایی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا، تحمل دمای 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.

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. مغزهای 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 کندکننده نوترون در رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.