Karbon Atomu | merhabaplastik.com

Karbon Atomu

Atom Numarası : 6

Atom Ağırlığı : 12.0107 (8 gr/mol)

Erime Noktası : 3823 °K (3550 °C veya 6422 °F)

Kaynama Noktası : 4098 °K (3825 °C veya 6917 °F)

Yoğunluk : 2.2670 gram/cm3

Oda Sıcaklığında Faz : Katı

Eleman Sınıflandırması : Ametal (metal olmayan)

Dönem Numarası : 2

Grup Numarası : 14

Grup Adı : yok

Tahmini Kabuk Bolluğu : 2.0×10 mg/kg

Tahmini Okyanus Bolluğu : 2.8×10 mg/lt

Kararlı İzotop Sayısı : 2

İyonlaşma Enerjisi : 11.260 eV

Oksidasyon Durumları : +4, +2, -4

Evrende İlk Karbon :

Bugün fizikçiler arasındaki yaygın kanı, evrendeki karbonun büyük oranda yıldızların merkezinde meydana gelen çekirdek tepkimeleriyle oluştuğudur. Bu süreç özetle şu şekilde gerçekleşir: Her biri iki proton ve iki nötrondan oluşan üç alfa parçacığı (helyum atomu çekirdeği) bir araya gelerek kaynaşır ve ortaya altı proton ve altı nötrondan oluşan karbon atomu çekirdekleri çıkar. Bu süreç çok nadir gerçekleşir. Çünkü ilk olarak üç alfa parçacığının bir araya gelerek kaynaşması ihtimali düşüktür. İkincisi, üç alfa parçacığı kaynaşsa bile ortaya çıkan yüksek enerjili karbon çekirdekleri kararsızdır. Büyük çoğunluğu kısa süre içinde yeniden parçalanır, sadece gama ışıması yaparak enerji kaybeden çekirdekler kararlı karbon atomlarına dönüşmeyi başarır. Tahminlere göre üçlü alfa süreciyle oluşan her 10.000 karbon atomu çekirdeğinin sadece dördü kararlı karbon atomlarına dönüşür.

Hampetrollerin özellikleri bulundukları yatakların jeolojik geçmişleriyle belirlenir. Louisiana ve Nijerya hampetrolleri birbirine benzer; her ikisi de benzer deniz kalıntılarından oluşmuşlardır. Uzak Doğu petrolleri genellikle vakslıdır, siyah veya kahve renklidir, düşük sülfürlüdür ve Merkezi Afrika petrollerine benzer; bunlar karasal depozitler esaslıdır. Orta Doğu petrollerinin vaks miktarı düşüktür, fakat sülfürü fazladır. Batı Avustralya petrolü hafif ve bal-renkli, Kuzey Denizi petrolü vakslı, yeşil-siyah renklidir. USA’daki petrollerin özellikleri, bölgelerin çok değişik jeolojik tarihleri nedeniyle çok çeşitlidir. En eski petrol-yatağı kayaçlarının yaşı 600 milyon yıldan daha fazla, en genç olanların ise 1 milyon yıl dolayındadır. Keşfedilen ve bulunan petrol yataklarının çoğu 10-270 milyon yaşındadır.

Petrol ve gaz yataklarının oluşmasındaki en kritik faktör, derinlikle artan yüzey altı sıcaklığıdır. Petrol hidrokarbonların oluşumu 150 °F’dan daha düşük sıcaklıklarda nadiren gerçekleşebildiği gibi, 500 °F dan yüksek sıcaklıklarda da oluşan hidrokarbonlar bozunarak karbonlaşır; ideal sıcaklık aralığı 225-350 dereceler arasıdır.

Ön kambriyum tabakası; Yeryüzünün oluşumundan (~4 milyar yıl önce), bilinen ilk çok hücreli organizmaların başladığı zamana ( 550 milyon yıl önce) kadar olan tabakalardır. Petrolün organik orijinli olduğu kabul edildiğinden bu tabakalara kadar sondaj yapılmaz.

Paleozoik ve Mezozoik zamanda (550-65 milyon yıl öncesi) yoğun ormanlar ve denizler, bitkiler ve hayvanlarla doldu. Zamanla ölenler veya yaşayanların bazıları kumla veya çamurla kaplanarak bozunmadan korundular ve böylece petrolün oluşum süreci başladı. Proses bazen çamurların kaymasıyla, kum tepeciklerinin yer değiştirmesiyle, bazen volkan infilaklarıyla, bazen meteorların yeryüzüyle çarpışarak büyük bulutlar ve tozlar fırlatmasıyla gerçekleşti. Çökelen bu tabakalar, üzerlerine eklenen yeni tabakalarla gittikçe artan basınçlar ve dolayısıyla yükselen sıcaklıklara maruz kaldı.

Yer kabuğu kayarken, oluşmaya başlayan bu tabakalar derine, daha derine itildi. Arzın merkezi, bilindiği gibi çok sıcaktır ve kayaçlar sıvılaşmış haldedir. Bütün bu koşullarda aktif halde olan bakterilerle binlerce yıl boyunca meydana gelen kimyasal reaksiyonlar, doğal gaz ve hampetrol bileşenlerini oluşturdu.

Organik maddeler kum ve çamur altına gömüldü, basınç artarken petrol yakınlarındaki kayaçlara doğru aktı. Kayaçlar katı birer kütle gibi görünmesine karşın çok sayıda gözenekler (pore) içerir ve bazı kayaçların gözenekleri diğerlerinden daha çok ve daha büyüktür. Üç temel kayaç tipi vardır; volkanik, metamorfik (başkalaşım) ve çökelti (veya tortul) kayaçlar. Petrol daha çok çökelti kayaçları etrafında bulunur, ancak her çökelti kayacı petrol içermez. Organik maddenin sadece %2 si petrole dönüşür, ve sadece %0.5 kadarı elde geçirilebilir. Hidrokarbonlar sudan daha hafiftir ve bulunduğu poröz kayaçlardan, poröz olmayan (non-poröz) tabakalar (kapanlar) tarafından tutuluncaya kadar yukarıya doğru göçerler.

Konvensiyonal petrol ve gaz yatakları hem bulundukları yerler ve hem de zaman bakımından düzenli dağılım göstermezler. Büyük petrol ve gaz yatakları az sayıdaki basenlerde veya 20000 ft (6.1 km)’den daha az derin klasik petrol bölgelerinde yeralırlar. Bu düzenli olmayan dağılım tabakaların oluşma veya kırılma özellikleriyle bağıntılıdır.

Dünyada 600’den fazla basen ve alt-basen bulunduğu ve bunların büyük bir kısmının birkaç jeolojik bölgede toplandığı; olası hesaplamaları, orijinal petrol rezervlerinin %80 kadarının 10 bölgede toplandığını göstermektedir. Arabistan Platformu ve Zagros Kuşağı (Suudi Arabistan-İran-Irak) bilinen be keşfedilmiş olan en büyük rezervlere sahiptir.

Tüm jeolojik periyotlarda oluşmasına karşın, bilinen hidrokarbon yataklarına göre dünyadaki tüm rezervuarların %95’i altı jeolojik zaman aralığında oluşmuştur

Kaynak kayaçlar (hidrokarbonlar üreten, organik maddelerce zengin tabakalar), herhangi bir önemli petrol sisteminin ilk anahtarıdır. Kaynak kayaçlar çeşitli denizsel ve karasal jeolojik çökeltilerde birikir ve korunur.

Prekambriyan zamanından başlayarak oluşmuş olan bu çökellerin dünyadaki dağılımı incelendiğinde %90’ının altı jeolojik evreye ait olduğu görülür. İki Mezozoik evrenin (Üst Jurasik ve Orta Kretase), tanımlanmış tüm hidrokarbon rezervlerinin yarısından daha fazlasını içerdiği tahmin edilmektedir. Bu yaştaki kaynak kayaçlar dünyanın önemli petrol yataklarının bulunduğu Orta Doğu, Sibirya, Birleşik Devletler, Kuzey Denizi, Venezüella ve Meksika’da bulunmaktadır.

Evrendeki en bol bulunan elementler :

1.Hidrojen,

2.Helyum,

3.Oksijen,

4.Neon,

5.Azot,

6.Karbon,

7.Silisyum,

8.Magnezyum,

9.Demir,

10.Kükürt

Karbon, eski zamanlardan beri bilinmektedir. Karbon en çok kömür yataklarından elde edilir, ancak genellikle ticari kullanıma uygun bir forma dönüştürülmesi gerekir. Doğal olarak oluşan üç karbon allotropunun var olduğu bilinmektedir: amorf, grafit ve elmas.

Amorf karbon, karbon içeren bir malzeme, tamamen yanması için yeterli oksijen olmadan yandığında oluşur. Lâmba isi, gaz karası, kanal siyahı veya karbon siyahı olarak da bilinen bu siyah kurum, mürekkep, boya ve kauçuk ürünler yapmak için kullanılır. Ayrıca şekillere de bastırılabilir ve diğer şeylerin yanı sıra çoğu kuru pilin çekirdeğini oluşturmak için kullanılır.

Bilinen en yumuşak malzemelerden biri olan grafit, öncelikle yağlayıcı olarak kullanılan bir karbon şeklidir. Doğal olarak meydana gelmesine rağmen, çoğu ticari grafit, ham petrolün rafine edilmesinden sonra kalan siyah katran kalıntısı olan petrol kokunun oksijensiz bir fırında işlenmesiyle üretilir. Doğal olarak oluşan grafit, alfa ve beta olmak üzere iki şekilde oluşur. Bu iki form aynı fiziksel özelliklere ancak farklı kristal yapılara sahiptir. Yapay olarak üretilen tüm grafitler alfa tipindedir. Yağlayıcı olarak kullanılmasının yanı sıra kok olarak bilinen formdaki grafit, çelik üretiminde büyük miktarlarda kullanılmaktadır. Kok, oksijenin karışmasına izin verilmeden bir fırında yumuşak kömürün ısıtılmasıyla yapılır. Genelde kurşun olarak adlandırılsa da , kalemlerde kullanılan siyah malzeme aslında grafittir.

Doğal olarak oluşan üçüncü karbon formu olan elmas, bilinen en sert maddelerden biridir. Doğal olarak oluşan elmas tipik olarak mücevherat için kullanılsa da, çoğu ticari kalite elmas yapay olarak üretilir. Bu küçük elmaslar, grafitin birkaç gün veya hafta boyunca yüksek sıcaklık ve basınç altında sıkıştırılmasıyla yapılır ve esas olarak elmas uçlu testere bıçakları gibi şeyler yapmak için kullanılır. Çok farklı fiziksel özelliklere sahip olmalarına rağmen, grafit ve elmas sadece kristal yapılarında farklılık gösterir.

Beyaz karbon olarak bilinen dördüncü bir karbon allotropu 1969'da üretildi. Tek bir ışık demetini iki kirişe bölebilen şeffaf bir malzemedir, bu özellik çift kırılma olarak bilinir. Bu karbon türü hakkında çok az şey bilinmektedir.

Buckminsterfullerenes veya buckyballs olarak bilinen, yalnızca karbondan oluşan büyük moleküller son zamanlarda keşfedildi ve şu anda çok fazla bilimsel ilgi konusudur. Tek bir buckyball, futbol topuna benzeyen bir yapıda birbirine bağlanmış 60 veya 70 karbon atomundan (C 60 veya C 70 ) oluşur. Çerçeveleri içinde diğer atomları yakalayabilirler, büyük basınçlara dayanabilecekleri ve manyetik ve süper iletken özelliklere sahip oldukları görülmektedir.

Yarı ömrü 5.730 yıl olan radyoaktif bir karbon izotopu olan Karbon-14, radyokarbon tarihleme olarak bilinen bir işlemle eski canlıların yaşını bulmak için kullanılıyor. Karbon tarihlemesinin arkasındaki teori oldukça basittir. Bilim adamları, az miktarda doğal olarak oluşan karbonun karbon-14 olduğunu biliyorlar. Karbon-14 beta bozunması yoluyla nitrojene -14 bozunsa da Yeni karbon-14 her zaman üst atmosferde kozmik ışınlar tarafından yaratıldığından, çevredeki karbon-14 miktarı sabit kalır. Canlılar, karbon içeren materyalleri yutma eğilimindedir, bu nedenle canlılardaki karbon-14 yüzdesi, çevredeki karbon-14 yüzdesi ile aynıdır. Bir organizma öldüğünde, artık hiçbir şeyi sindirmez. O organizmadaki karbon-14 artık değiştirilmez ve karbon-14 yüzdesi bozuldukça azalmaya başlar. Bilim adamları, bir organizmanın kalıntılarındaki karbon-14 yüzdesini ölçerek ve karbon-14'ün doğal bolluğunun zaman içinde sabit kaldığını varsayarak, o organizmanın ne zaman öldüğünü tahmin edebilirler.

Yaklaşık on milyon bilinen karbon bileşiği vardır ve organik kimya olarak bilinen bütün bir kimya dalı, araştırmalarına ayrılmıştır. Birçok karbon bileşiği, bildiğimiz kadarıyla yaşam için gereklidir. En yaygın karbon bileşiklerinin bazıları şunlardır: karbon dioksit (CO 2 ), karbon monoksit (CO), karbon disülfit (CS 2 ), kloroform (CHCh 3 ), karbon tetraklorür (CCI 4 ), metan (CH 4 ), etilen ( Cı- 2 , H 4 ), asetilen (Cı- 2 , H 2 ), benzen (Cı- 6 , H 6 ),

etil alkol (Cı- 2 , H 5 , OH) ve asetik asit (CH 3 COOH).

Dünya'nın pek çok yerinde, petrol yataklarından çıkarılan ham petrol, rafineriler de işlenerek, değişik uzunluktaki Karbon zincirinden oluşan maddeler elde edilir. Bu maddelere petrol türevleri denir. Ağır, kalın ya da ince bütün yağlar hidrokarbondur.
Petrol, halk arasında, yalnız belirli bir yakıt; Benzin, Gazyağı, Motorin, olarak bilinmesine rağmen, aslında petrol kelimesi; doğal halde bulunan ve yeraltından çıkarılan işlenmemiş ham petrol anlamına gelmektedir.
Karbon, 2. Periyotta ve 4A grubunda bulunmaktadır. C sembolüyle gösterilir. Ametaldir. 6 elektron, 6 proton, 6 nötronu vardır. Bazı elementlerle birleşerek canlı hayatını meydana getirir. Hidrojen, Oksijen ve Azotla yaptığı bileşikler canlı yaşamı için çok önemlidir. Erime noktası 3500, kaynama noktası 4800 derecedir. Tüm canlılarda Karbon elementi bulunur. Yer kabuğunun yaklaşık %1’inde bulunur. Evrende en fazla bulunan 6. elementtir. Oda koşullarında katıdır ve siyah renktedir ya da renksizdir
Karbon, yapabildiği bileşiklerin sayısı ve çeşitliliği yönünden, diğer elementlerden tamamen farklı ve özgün bir yapıdadır. Şimdiye kadar karbonun yarım milyonun üzerinde farklı bileşiği ayrılmış ve tanımlanmıştır. Ama bu bile karbonun yetenekleri hakkında çok az bilgi verir. Çünkü karbon, tüm canlı maddelerin temelini oluşturur.
Bilinen iki milyon farklı molekülden 1.700.000'i, Karbon atomlu iskelete sahip moleküllerdir. Bu bileşikler, kimyanın Organik kimya denilen muazzam dalında incelenirler. Karbon atomları, uzun çizgiler boyunca, birbiri ardına dizilerek çok kolay zincir oluştururlar. En kısa zincir, iki karbon atomundan oluşur. Peki en uzun zincir hangisidir? Henüz bilinmiyor.
Diğer elementlerin, hiçbirinin böyle bir yeteneği yoktur. Karbon, zincir oluşturma kapasitesi bakımından rakipsizdir. Zincirler, dallanabilir ve halka oluşturmak üzere kapanabilir. Halkalar üç, dört, beş, altı ve daha çok karbon atomundan oluşan çokgenlerdir.

Oktan: Petrolde bulunan bir Hidrokarbondur. Petrol, hidrokarbonların karışımından meydana gelmiş olup, her zaman sabit bir kimyevi bileşimi yoktur. Doğal akaryakıt olan ham petrol, bulunduğu memleketlere göre değişen bileşimler gösterir. Değişik kimyasal içeriğe sahip hidrokarbonların biraraya gelerek oluşturduğu değişik kimyevi bileşimde olan çok sayıda petrol tipi bulunmaktadır. Parafin bazlı petrol, asfalt bazlı petrol gibi. Normal oktan (C8H18 düz zincirli bir hidrokarbondur; benzinin oktan sayısı tayininde referans yakıt olarak kullanılır.

Beta Bozunması :

Kararsız atomların daha kararlı hale gelmek için kullanabileceği bir süreçtir.

İki tür beta bozunması vardır, beta-eksi ve beta-artı.

Beta Eksi Bozunması :

Bir atomun çekirdeğindeki bir nötron bir protona , bir elektrona ve bir antinötrinoya dönüşür . Elektron ve antinötrino, şimdi başladığından bir protona daha sahip olan çekirdekten uzaklaşır. Bir atom, beta eksi bozunma sırasında bir proton kazandığından, bir elementten diğerine değişir. Örneğin, beta eksi bozunma geçirdikten sonra, bir karbon atomu (6 protonlu) bir nitrojen atomu (7 protonlu) haline gelir.

Beta Artı Bozunması :

Bir atomun çekirdeğindeki bir proton bir nötron, bir pozitron ve bir nötrinoya dönüşür . Pozitron ve nötrino, şimdi başladığından bir az protona sahip olan çekirdekten uzaklaşır. Bir atom, beta artı bozunması sırasında bir proton kaybettiğinden, bir elementten diğerine değişir. Örneğin, beta artı bozunmaya uğradıktan sonra, bir karbon atomu (6 protonlu) bir bor atomu (5 protonlu) haline gelir . Beta bozunması sırasında bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları değişse de, toplam parçacık sayısı (protonlar + nötronlar) aynı kalır.

Pozitron:

Antimadde muadili elektronun kozmik ışın duşları gözetirken, positrons Carl Anderson tarafından 1932 yılında keşfedilmiştir.

Nötrino:

Nötrinolar, madde ile nadiren etkileşime giren nötr parçacıklardır.

Bilim adamları üç tür nötrino bilirler:

Elektron-nötrinolar,
Müon-nötrinolar
Tau-nötrinolar.

Karbonun Özellikleri

Fiziksel Özellikleri :

Karbonun fiziksel ve kimyasal tüm özellikleri, elementin kristal yapısıyla ilgilidir. Erime ve kaynama için gerekli yüksek sıcaklık, kristallerdeki üç boyutlu kovalent bağların koparılabilmesini ancak sağlar.
Son yörüngesinde 4 elektron bulunur. Element halindeki karbon, iki kristalin yapıda, elmas ve grafit olarak görülür.

Kimyasal Özellikleri :

Kimyasal olarak saf karbon, şekerin (sakkaroz) havasız ortamda ısıtılarak ayrıştırılmasıyla elde edilir. Karbon içindeki öteki maddeler alevde klor gazıyla iyileştirilerek temizlenir. Daha sonra suyla yıkanır ve hidrojen gazı ortamında klordan ayrılır.
Element karbon, oldukça ağır bir maddedir. Suda sulandırılmış asit ve bazlarda ve organik çözücülerde erimez. Yüksek sıcaklıklarda oksijenle birleşerek karbonmonoksit (CO) ve karbondioksit (CO2) oluşturur. Organik kimyada, metalürjide ve biyokimyasal reaksiyonlarda işleyen mekanizmaların açıklanmasında ve arkeolojide yaş belirlemede kullanılır.

Doğada Bulunuşu :

Karbon ve bileşiklerine dünyada çok yaygın olarak rastlanır. Yerkabuğunun %0.032’lik bölümünü oluşturduğu sanılır.
Serbest halde element, karmaşık ve amorf (şekilsiz) karbon-hidrojen-azot bileşikleri içeren kömür yatakları biçiminde bulunur. Kristalin yapıdaki saf karbon ise grafit ile elmasın yapısında görülür. Doğadaki karbonun büyük bir bölümünü karbon bileşikleri oluşturur.
Örneğin atmosferde, toplam hacminin %0.03’ü oranında CO2 vardır. Kireçtaşı, dolomit, mermer ve tebeşir gibi minerallerin tümü karbonat içerir. Bitki ve hayvan yaşamları ise tümüyle karbonun hidrojen, oksijen, azot ve öteki bazı elementlerle oluşturduğu organik bileşiklere dayanır.
Petrol, asfalt ve zift gibi doğal birikmeler de, eski hayvan ve bitkilerin kalıntılarıdır. Ayrıca doğal gaz yatakları, tümüyle karbon-hidrojen bileşikleri içerirler.

Karbon Bileşikleri

Kalsiyum Karbonat (CaCO3) :

Bir metal ya da organik bileşiğin karbonik asitle reaksiyonu sonucu oluşur. Halk arasında kireç taşı olarak bilinen bir tür kimyasal bileşiktir. Kalsit olarak da tanımlanır.
Antiasitlerin bir üyesi olsa da, fazlası biyolojik olarak zararlıdır.Doğada bulunduğu kayaçlar içinde en yoğun bilinenleri, aragonit, kalsit, vaterit, tebeşir, kireç taşı, mermer ve travertendir. Sanayide, mermer, tebeşir ve kireç taşı gibi farklı malzemelerin üretiminde yoğun olarak kullanılır. Aynı şekilde boya malzemelerinin üretilmesinde yoğun olarak bu bileşikten yararlanılır.
PVC üretiminde de kullanılan kalsiyum karbonat, seramik yapımında yararlanılan bir moleküldür.

Karbondisülfür (CS2) :

Doğal gaz ya da petrolün sülfürle reaksiyonu sonucu ve kükürt ile mangal kömürünün birlikte ısıtıldıktan sonra karbondisülfür buharlarının yoğunlaştırılmasıyla elde edilir. Çok yanınca patlayıcıdır, sürtünmeyle bile tutuşur. Çözücü olarak karbontetraklorürün üretiminde ve maden tozlarının ayrılması işleminde kullanılır.

Karbonmonoksit (CO) :

Renksiz, kokusuz, gaz ya da sıvı olabilen inorganik bileşik. Mor bir alevle yanar. Suda az, alkol ve benzende iyi çözünür. Buharın sıcak kok ya da doğal gazla reaksiyonu, organik yakıtların az oksijenle patlatılması, formik asitin dehidrasyonu, karbonmonoksit elde etme yöntemlerinden bazılarıdır. Nefesle çekildiğinde zehirli; patlayıcı bir gazdır.

Karbontetraklorür (CCl4) :

Klorlanmış, renksiz hidrokarbonik sıvıdır. Buharı havadan 5.3 kez daha ağırdır. Patlayıcı değildir. Metanın ya da daha yüksek hidrokarbonların yüksek ısıyla klorlanmasıyla elde edilir. Solunumu zehirleyici bir etkisi vardır. Soğutucu olarak ve yan iletkenlerin yapımında kullanılır.

Karbon Siyahı :

Karbon siyahı ileri seviye kontrol edilen proseslerle üretilen katı karbon formlarına verilen addır.
Karbon siyahı, içerik olarak % 95 karbon (:C) elementine sahip olmakla beraber, az miktarlarda oksijen (:O), hidrojen (:H), ve nitrojen yani azot (:N) da içermektedir. Karbon siyah ağırlıklı olara teker ve kauçuk sektörlerinde kullanılır. Teker de malzemenin güçlendirilmesi, aşınma dayanımı ve yolda sürtünmeden kaynaklanan ısının tutulması amaçlı kullanılır. Böylelikle tekerin ömrünün uzun tutulması sağlanır. Karbon Siyahı aynı zamanda iyi bir iletkendir. Statik elektriklenmenin istenilmediği, araba benzin kapağı veya yakıt boruları gibi ürünlerde tercih edilir.

Karbon siyahı plastik sektöründe de ağırlıklı olarak kullanılmaktadır. Karbon siyahı, plastik ürünlerde siyah boyama amaçlı tercih edilmektedir. Bir karbon siyahının boyama gücü, renk tonu, ultraviyole dayanımı, dispersiyon kabiliyeti ve bunun gibi önemli özelliklere ve boyutuna bağlıdır.

Nodül/Partikül: (15-300 nanometre)
Agrega: (85-500 nanometre)
Aglomera: (1-100 mikrometre)

Siyah Masterbatchde boyama gücü ve renk tonları kullanılan karbon siyahına göre değişiklik göstermektedir.

Siyah masterbatchlerde renk ile alakalı üç husus vardır:

Siyahlık: (ışığı yansıtma derecesi)
Jetness: (Siyah renk ile ilişkili değeri)
Altton: (Renkte hissedilen arka rengi)

Karbon Bileşikleri

Karbon Bileşiklerinin Tanımlaması :

Bugün bilinen 100’ün üzerindeki elementten yalnız birisi için ayrı bir kimya dalının ayrılması, karbon atomunun diğer bütün elementlerden çok daha fazla sayıda bileşik oluşturabilme yeteneğinden ileri gelmektedir.
Günümüzde 4 milyonun çok üzerinde karbon bileşiği bilinmektedir ve her yıl laboratuvarlarda sentez yolu ile veya doğal kaynaklardan elde edilen binlerce yeni bileşik oluşturulmaktadır.
Karbon atomlarını diğer element atomlarından farklı kılan; kendi aralarında güçlü kovalent bağlar yapmalarıdır.
Karbon atomları, birbirlerine ve diğer bazı atomlara bağlanarak uzun zincirler yada küçüklü büyüklü halkalar oluşturabilirler. Ayrıca karbon atomları diğer element atomlarından farklı olarak, kendi aralarında tekli, ikili yada üçlü bağlar yapabilirler.
Tüm bunlar karbonun daha özel bir yer edinmesine neden olur.

Karbon atomlarının oluşturdukları bileşikler, bileşik içindeki karbon atom sayısı ile tanımlanırlar:

Karbon bileşikleri tanımlanırken, sadece bileşikteki karbon atom sayısı yeterli değildir. Bir de bileşikteki karbon atomları arasında yer alan bağ sayısının belirtilmesi gerekir

Burada dikkat edilmesi gereken; bileşikte yer alan toplam bağ sayısını değil, her iki karbon atomu arasında yer alan bağ sayısını belirtildiğidir.

Bileşik içinde tüm karbonların

tekli bağ yaptığında (-an)

en az bir tane bile ikili bağ yaptığında (-en)

en az bir tane bile üçlü bağ yaptığında (-in)

ekleri tanımlamaya getirilir.

Bazen bileşikler düz karbon zincirleri şeklinde olmayabilir. Bileşiğin iki ucundaki karbon atomlarının birbirlerine bağlanarak halka şeklinde bir yapı da oluştururlar. Halkalı yapıdaki bu bileşikleri düz zincirlerden ayırmak için isimlerinin başına «siklo» ön eki getirilir.

Allotrop Karbonlar

Allotrop Karbonları

Bir elementin atomlarının uzaydaki dizilişleri birbirinden farklı olan formlarına allotrop adı verilir. Allotroplar tek bir elementten oluşmuşlardır. Fakat bu elementin atomları farklı bir dizilim gösterdiklerinden dolayı elementin fiziksel ve birçok kimyasal özellikleri birbirinden farklıdır. Farklı dizilimler farklı bağ enerjileri ve bağ yapılarının oluşmasına neden olmuştur.

Karbon atomunun iki doğal allotropu grafit ve elmasdır. Fulleren C atomunun yapay bir allotropudur.

Elmas :

Doğada bilinen en sert maddedir. Elmas, yerkabuğunun derinliklerinde bulunan karbonun yanardağların ve yerkabuğunun

çatlaklarına sokulan magmanın ısısı ile erimesi ve yüksek basınç altında sıkışmasıyla meydana gelmiştir. Elmas ısıyı en iyi ileten maddedir. Kırılma indisi yüksektir. Elmasın kırılma indisinin değeri, içinden geçen ışığın dalga boyuna göre

değişmektedir. Elmas havada 850 °C de yanar, erime noktası 3547 °C dir. Havasız ortamda 1500 °C de grafite dönüşür.

Elmasta bir C atomu komşu 4 C atomu ile bağlanarak tetrahidral bağlar yapar. En dış yörüngesindeki elektronların tamamı bağ yapımına katılır. Serbest elektronu bulunmadığından elektriği iletmez. Elmas maddesinde C atomları düzgün dörtyüzlü şeklinde bir yapı oluşturmuşlardır. C atomları arasındaki bağlar çok sağlam bir yapıdadır. Bu nedenle sert ve dayanıklıdır. Elmas dayanıklılığından dolayı endüstride kesme ve delme aletlerinde kullanılır. Elmas parlatma ve taşlama işlemlerinde de kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe elmastan birçok alanda yararlanılmaktadır. Elmas mücevher sektöründe de kullanılmaktadır. Optik özellikleri nedeniyle elmas değerli bir takı durumundadır. Dünyadaki elmasın %75 i sanayi için, %25 kadarı mücevher yapımında kullanılmaktadır. Elmas en fazla Avustralya, Güney Afrika, Endonezya, Güney Amerika ve Hindistan gibi ülkelerde çıkarılmaktadır.

Grafit :

Gayet yumuşak, dokunumu yağsı ve ince levhalar halinde bükülme özelliğine sahiptir. Siyah, parlak renkli katı bir maddedir. Grafit yapısında C atomunun son yörüngesindeki elektronların üçü diğer atomların elektronları ile bağ yaparken bir elektron serbest haldedir. Bağ yapımına katılmayan bu serbest elektron grafiti iyi bir iletken yapmıştır. Grafitte karbon atomları, altıgen halkalar şeklinde ve tabakalar halindedir. Grafitin en önemli özellikleri yumuşak ve yağlı olması ve iyi bir elektrik iletkeni olmasıdır. Elektrik elektronik sanayiinde kullanılmaktadır. İletken, sağlam ve esnek olması nedeniyle elektrik motorlarında fırça olarak kullanılmaktadır. Ayrıca kurşun kalemlerde kullanılmaktadır. Grafitin erime sıcaklığı yüksektir. Grafit aynı zamanda esnek bir yapıdadır. Korozyona ve oksidasyona karşı dirençlidir. Radyo dalgalarını absorbe etme yeteneği vardır. Yüksek sıcaklıklara dayanabilmesi demir çelik endüstrisinde metal ergitme işlemlerinde kullanılmasını sağlamıştır. Başlıca elde edildiği yerler Sri Lanka, Kuzey Amerika ve Meksika’dır.

Grafit, yatay tabakalar şeklinde oluşmuştur ve kullanım alanı hayli fazlacadır. Özellikleri nedeni ile, grafitin kullanım alanları çok geniştir. Yumuşaklığı nedeniyle, kurşun kalem yapımı ve hareketli metal aksamlarının yağlanması işlemlerinde, ateşe ve asitlere karşı dayanıklığı nedeniyle de döküm ve refrakter sanayiinde, pota ve laboratuvar malzemeleri imalinde kullanılır. Siyah renkli ateşe dayanıklı boyalar da genellikle grafitten yapılır. İyi elektrik iletkenliği dolayısı ile elektrod, motor fırçaları, pil çubukları ve elektronik aletlerin imalinde kullanılmaktadır. Grafit ayrıca lastik, araba balataları, kibrit ve motor yağlarında katkı malzemesi olarak ta kullanılmaktadır.

Grafitin kullanılmasında "sabit karbon" veya "kül içeriği yüzdesi", grafit'in saflığını belirleyen ve buna bağlı olarak kullanım alanlarının saptanmasına yardımcı olan parametrelerdir. En saf grafitin daha ziyade elektrik bataryalarında, kuru pillerde, çelik sanayii ve elektrometalurji sanayiinde, elektrik cihazlarındaki elektrodlarda, kalem yapımında ve atomik grafit olarak reaktörlerde kullanılmasına karşın, daha az saflıkta olan grafitler dökümcülükte (demir-çelik), boyacılıkta, refrakter kaplamalarda ve fırınlarda refrakter macunları yapımında, grafitli gres yağlarında ve daha bir çok alanda kullanılabilmektedir.

Grafitin kullanım alanına göre, genellikle şekli belirtilmez. Ancak, pota gibi şekillendirilmiş refrakterlerin yapımında, daha üstün özellikleri nedeniyle, pul şeklindeki grafit türü, diğer metalurji uygulamalarında ise daha ucuz olmasından dolayı, amorf grafit tercih edilmektedir.

Grafitin kullanım alanları :

Makine Parçalarında Yağlayıcı Olarak Kullanılan Grafit : Kayganlığı, yumuşaklığı ve makine parçaları üzerinde uzun müddet yapışabilmesi özelliği nedeni ile, makine yataklarında yağlama maddesi olarak kullanılabilir. Bu alan için kullanılabilecek grafitin çok saf olması (en az % 95 grafitleşmiş karbon) ve kuvars gibi sert mineralleri içermemesi gerekir. Bu alan için en uygun grafit türü, şüphesiz pul şeklinde olanıdır. Grafit 0,1 - 1 mikron boyutuna öğütüldükten sonra, yağ, su, alkol veya bunlara benzer taşıyıcı bir sıvı içerisinde kolloid hale getirildikten sonra, makine parçasının istenen yerine iletilir. Taşıyıcı sıvının türüne bağlı olarak, grafit burada kuru veya yaş bir tabaka oluşturur. Kuru tip, fırın zincir ve arabalarında, motor silindirlerinde, deniz araçlarında ve kimyasal tesislerde; yaş tabaka türü ise, yüksek basınç altında, bilyeli yataklarda kullanılır.

Ergitme - Pota Endüstrisinde Kullanılan Grafit : Grafitin, dünya üretiminin hemen hemen yarısına yakın miktarı, bu alanda kullanılmaktadır. Grafitin ergime derecesi çok yüksek olduğundan (yaklaşık 4 000 °C), ısıya dayanıklıdır. Genleşme sabitesi çok düşük; mekanik yüklenmeye, kimyasal etkilenmeye ve sıcaklık değişimlerine karşı dayanıklılığı çok iyidir. Isıyı çok iyi iletmesi ve dış yüzeylerinin bir sıvının metali kavrayıp - tutmayacağı şekilde kaygan olması gibi nedenler de, özellikle döküm potaları için tercih edilen özellikler arasındadır. Bağlayıcı özellik kazandırmak için, ağırlığının yarısı kadar ateş kili veya kömür katranı; istenen özellikleri kazandırmak ve maliyeti düşürmek amacıyla da kum, ateş tuğlası ve asbest gibi ilaveler yapılır. Karışıma giren maddelerin oranı, kullanılış amacına göre değişir. Pota için elverişli grafit türü, ince taneli (ortalama tane boyu 0,3 mm.), yoğunluğu fazla, kül ve kükürt içermeyen, yüksek tenörlü (% 85 veya daha fazla) grafitleşmiş karbon içerendir. Kül içerdiği takdirde, külün ergime derecesinin yüksek olması (çoğunlukla Sri - Lanka tipi) istenir.

Döküm Sanayinde Kullanılan Grafit : % 40 - 60 grafitleşmiş karbon içeren grafit tozlarının, asıl kullanıldığı yerler dökümhanelerdir. Kil ve kumla karıştırmak suretiyle döküm kalıpları yapımında kullanılır. Bentonit veya olivin ile karıştırılıp, öğütülmüş kok kömürü tozu ve petrol koku, bu sanayi dalında grafiti ikame edebilmektedir.

Kurşun Kalem Ucu Yapımında Kullanılan Grafit : Kurşun kalem ucu, işlenmiş kaolen, bentonit ve grafit karışımından yapılır. Bu kullanıma en uygun grafit türü, ince taneli ve kompakt olanıdır. Yumuşaklığı nedeniyle, daha çok doğal grafit tercih edilir. Saflığının yüksekliği oranında, bu alandaki kıymeti artar. Düşük kaliteli kalem uçları için amorf grafit kullanılır. Her iki durumda da arzu edilen grafit türü, aşındırıcı madde (kuvars gibi) içermeyen ve % 96 oranında grafitleşmiş karbona sahip olandır.

Motor ve Jeneratör Fırçaları İmalinde Grafit : Bu malzemeler, yüksek sıcaklıktaki amorf veya damar türündeki doğal grafitten yapılır. Bu amaçla uygun grafitin grafitleşmiş karbon miktarı % 85'ten fazla olmalıdır. Grafit fırça yapımında, zift, katran veya reçine ile bağlanmış grafit ve metal tozları (bakır veya gümüş) kullanılır.

Grafitin Diğer Kullanım Alanları : Son senelerde kuru pil sanayiinde, bol miktarda grafit kullanılmaya başlanmıştır. Bunun için pul türü (levhamsı) ve grafit tozu en uygunu olup, en az % 85 grafitik karbon içermesi gereklidir. Grafit ayrıca uçak sanayiinde, belirli jet motoru parçaları ve uçak parçalarında, büyük ölçüde ağırlık azaltılması için grafit flamanla kuvvetlendirilmiş kompozit malzemeler kullanılır. Bu tür malzemeler aynı zamanda, spor malzemelerinde de kullanılmakta olup, otomobillerde kullanılabilirliği konusunda da araştırmalar yapılmaktadır.

Grafit, atom reaktörlerinde, ilaç üretiminde, metalurji sanayiinin çeşitli dallarında çok yönlü olarak kullanılmaktadır. Toz metalurjisinde, grafit, yatak malzemesi yapımında ve çelik imalinde, çeliğe, karbon sağlayıcı olarak iki ayrı amaçla kullanılır. Grafit, toz harman malzemenin sıkıştırılmak suretiyle şekillendirilmesi sırasında yağlayıcı olarak; bu materyalin sinterlenmesi sırasında ise, metal oksitleri indirgeyici olarak görev yapar. Demir - çelik üretiminde kullanılan grafit çok saf olmalıdır. Diğer bazı metallerin üretimindeki gerekli grafitin aynı derecede saf olması o kadar önemli olmayabilir. Grafitin saflığı, tane boyutu, boyut dağılımı ve nem durumu gibi faktörlerin değişimine bağlı olarak; aşınma ve sürtünmesi istenilen düzeyde, kendinden yağlı yataklar imal edilebilir. Bu sahada kullanılan grafitin türü ve saflığı konusunda bir sınırlama yoktur.

Fulleren :

Karbon atomunun yapay bir allotropudur. Yapı olarak grafite benzer, ancak atomların dizilimi ve tabakaları grafittekinden farklıdır. Fulleren genellikle altı karbon atomunun düzlemsel olarak birbiri ile bağlanmasıyla oluşan içi boş halka, küre, silindir şeklinde yapılardır. En küçük boyutta olanı 60 karbon atomundan meydana gelir. C60 olarak gösterilir. Karbonun grafit allotropundan özel yöntemlerle fulleren bileşikleri adı verilen tüp şeklinde bileşikler yapılmıştır.

Grafen :

Karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir.

Buckminsterfullerene (Buckyball) :

C60 formülüne sahip bir fullerendir. Yirmi altıgen ve on iki beşgenden oluşan bir futbol topuna benzeyen kafes benzeri kaynaşmış halka yapısına sahiptir. Her karbon atomunun üç bağı vardır. Mor bir çözelti üretmek için hidrokarbon çözücüler içinde çözünen siyah bir katıdır.

Karbonun Kullanım Alanları

Serbest element olarak elmasın yapısında bulunuşundan matbaa mürekkebi yapımına kadar çok çeşitli bir kullanıma sahiptir. Karbonun doğal bir türü olan grafit, yüksek sıcaklıktaki potalarda, kuru pillerde elektrot olarak; kurşun kalem ve makine yağı yapımında kullanılır. Karbon bileşikleri ise sayılarına bağlı olarak çok daha geniş bir uygulamaya sahiptir.

Aktif Karbon :

Büyük kristal formu ve oldukça geniş iç gözenek yapısı ile karbonlu adsorbanlar ailesini tanımlamada kullanılan genel bir terimdir. Aktif karbonlar, insan sağlığına zararsız, kullanışlı ürünler olup, oldukça yüksek bir gözenekliliğe ve iç yüzey alanına sahiptirler. Aktif karbonlar, çözeltideki molekül ve iyonları gözenekleri vasıtasıyla iç yüzeylerine doğru çekebilirler ve bu yüzden adsorban olarak adlandırılırlar. Ticari olarak aktif karbonlar, odun, turba, linyit, kömür, mangal kömürü, kemik, Hindistan cevizi kabuğu, pirinç kabuğu, fındık kabuğu ve yağ ürünlerinden elde edilen karbonların çeşitli işlemlerden geçirilerek aktive edilmesiyle elde edilirler.

Karbon-14 Testi

Radyokarbon tarihleme yöntemi geliştirilmeden önce, bir arkeolojik eserin hangi tarihe ait olduğunu söylemek zordu. Referans alınacak başka bir buluntu yardımı ile sadece tahmin yapmak zorunda kalınıyordu. Ancak kesin olmayan bu yöntemleri kullanmak, arkeologlar için çoğu zaman endişe kaynağı oluyordu. 1940’lı yılların sonlarında radyokarbon olarak bilinen süreç geliştirilmiştir ve bugün de yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bir organizma öldükten sonra, karbon-14 emilimi durur, radyoaktif izotop bozulmaya başlar ve bu tekrar doldurulmaz. Arkeologlar bu gerçekten hareketle kararlı izotop karbon-12 ile karşılaştırarak karbon-14 miktarını ölçmekte ve bir nesnenin kaç yaşında olduğunu tespit etmektedir.

Ancak bu yöntemde test edilecek numunenin organik maddeye (örneğin insan eline) dokunmaması gerekmektedir. Ayrıca daha doğru veriler elde etmek için numunenin büyük olması gerekmektedir. Ankca son yıllarda yeni teknikler kullanılarak daha küçük numuneler de etkili bir şekilde test edilmektedir. Test edilecek numune 50 bin yıldan daha eski ise, bu noktada karbon-14 miktarı pratik olarak saptanamayan seviyelere düşmüş olabilir.

Bu kısıtlara rağmen, karbon-14 testleri arkeologlara en doğru sonuçları vermektedir. Birçok arkeolog için radyokarbon tarihlemesi yaşamsal öneme sahiptir. Karbon-14 arkeolojik testleri, nesnelerin yaşlarını dünya ölçeğinde karşılaştırmayı mümkün kılmaktadır.

Kısaca karbon-14 tarihleme yöntemi, biyolojik kökenli bazı arkeolojik eserlerin 50 bin yıl öncesine kadar olan yaşını belirleme yöntemidir. Özellikle kemik, kumaş, odun ve bitki lifleri gibi nesnelerin tarihlemesinde kullanılmaktadır.

Kullanım Alanları

Karbon Fiber

1958 yılında Cleveland Ohio yakınlarında bulunmuştu. Başlangıçta sadece izolasyon, filtrasyon malzemeleri ve aydınlatma uygulamalarında kullanılmaktaydı. Yıllar sonra Union Carbide Şirketi, Amerikan Hava Kuvvetleri’ne fiberglass kumaş yerine karbonlaştırılmış kumaşı tanıttı. Her ne kadar mekanik özellikleri, kullanılan diğer malzemelere göre geride olsa da Union Carbide, karbon fiberin ne kadar büyük bir potansiyeli olduğunu fark etti ve daha sonra onu mükemmel bir şekilde işleyip karbon fiberi meydana getirdi.

Karbon fiber üretim çeşitleri ana hatlarıyla 4 bölümden oluşmaktadır:

Oksidasyon:

İlk olarak elyaflar hava ortamında 300 0C’a ısıtılır. Bu işlem, elyaftan hidrojenin ayrılmasını, daha uçucu olan oksijenin eklenmesini sağlar. Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek grafit teknelerine konur. Polimer merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu işlem sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye dönüşür ve ardından siyah olur.

Karbonizasyon:

Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000 °C’a kadar ısıtılmasıyla, liflerin %100 karbonlaşmasının sağlanması aşamasıdır. Karbonizasyon işleminde uygulanan sıcaklık, üretilen elyafının sınıfını belirler.

Yüzey İyileştirmesi:

Karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolit banyoya yatırılır.

Kaplama:

Bu aşama elyafı sonraki işlemlerden korumak için yapılan nötr bir sonlandırma işlemidir. Elyaf, reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir ara yüz görevi görür.

Karbon fiber, şık ve modern görünümüyle ünlüdür. Ancak karbon fiber, performansı için en çok tercih edilir. Kompozit endüstrisinde eşi benzeri olmayan birleşik bir mukavemet ve sertlik-ağırlığa sahiptir. Aslında, ağırlık karşılaştırmalarına mukavemet bakıldığında, karbon fiber çoğu geleneksel yapı malzemesinden daha iyi performans gösterir.

Grafit lifler bu gücü formüle eder. Bu lifler yaklaşık% 95 karbondan oluşur ve FRP endüstrisindeki en yüksek nihai gerilme mukavemetini verir. Çekme mukavemeti, herhangi bir uzunluktaki her iki ucu kırılıncaya kadar çekmek için gereken kuvvettir. Dahası, karbon fiber aynı zamanda, bir malzemenin sıkıştıran veya boyutu küçültme eğiliminde olan yüklere dayanma kapasitesi ve eğilme mukavemeti - yük altında deforme olmaya direnme yeteneği için endüstriye hakimdir. Bu lifler demetlenir ve daha sonra karbon fiber takviyesi ve bu mukavemet özelliğini alan parçalar oluşturmak için çeşitli şekillerde birleştirilir.