الكربون:حقائق عن عنصر يعتبر مكوّنًا رئيسيًا للحياة على الأرض

• الحقائق
• كيف يتكون الكربون
• من كان يعلم؟
• بحث مستمر
• أنابيب الكربون النانوية
• موارد إضافية
• قائمة المراجع

الكربون عنصر لا يصدق. رتب ذرات الكربون بطريقة واحدة ، فتصبح غرافيتًا طريًا ومرنًا. Rejigger الترتيب ، و- المعزوفة! - تشكل الذرات الماس وهو من أقسى المواد في العالم.

يعتبر الكربون أيضًا المكون الرئيسي لمعظم أشكال الحياة على الأرض ؛ الصباغ الذي صنع الوشم الأول ؛ وأساس الأعاجيب التكنولوجية مثل الجرافين ، وهو مادة أقوى من الفولاذ وأكثر مرونة من المطاط. [راجع الجدول الدوري للعناصر ]

يتواجد الكربون بشكل طبيعي مثل الكربون -12 ، والذي يشكل ما يقرب من 99٪ من الكربون في الكون. الكربون 13 ، والذي يشكل حوالي 1٪ ؛ والكربون 14 ، الذي يشكل كمية ضئيلة من إجمالي الكربون ولكنه مهم جدًا في تأريخ الأجسام العضوية.

الكربون:حقائق سريعة

• العدد الذري (عدد البروتونات في النواة):6
• الرمز الذري (في الجدول الدوري للعناصر):C
• الوزن الذري (متوسط ​​كتلة الذرة):12.0107
• الكثافة:2.2670 جرام لكل سنتيمتر مكعب
• الحالة في درجة حرارة الغرفة:صلبة
• درجة الانصهار:6422 درجة فهرنهايت (3550 درجة مئوية)
• نقطة الغليان:6872 فهرنهايت (3800 درجة مئوية) (تسامي)
• عدد النظائر:إجمالي 15 ؛ اثنين من النظائر المستقرة ، وهما ذرات من نفس العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات.
• النظائر الأكثر شيوعًا:الكربون -12 (6 بروتونات و 6 نيوترونات و 6 إلكترونات) والكربون -13 (6 بروتونات و 7 نيوترونات و 6 إلكترونات)

كيف يتكون الكربون:من النجوم إلى الحياة

باعتباره العنصر السادس الأكثر وفرة في الكون ، يتشكل الكربون في بطن النجوم في تفاعل يسمى عملية ألفا ثلاثية ، وفقًا لما ذكره مركز سوينبرن للفيزياء الفلكية والحوسبة الفائقة (يفتح في علامة تبويب جديدة).

في النجوم الأقدم التي أحرقت معظم الهيدروجين ، تتراكم بقايا الهيليوم. تحتوي كل نواة هيليوم على بروتونين ونيوترونين. تحت درجات حرارة شديدة الحرارة - أكبر من 100،000،000 كلفن (179،999،540.6 فهرنهايت) - نواة الهليوم تبدأ في الاندماج ، أولاً كأزواج في 4 بروتون غير مستقر البريليوم النوى ، وفي النهاية ، عندما تومض نوى البريليوم الكافية إلى الوجود ، في البريليوم بالإضافة إلى الهيليوم. النتيجة النهائية:ذرات بها ستة بروتونات وستة نيوترونات - كربون.

الكربون هو صانع الأنماط. يمكن أن ترتبط بنفسها ، وتشكل سلاسل طويلة ومرنة تسمى البوليمرات. ويمكنه أيضًا الارتباط بما يصل إلى أربع ذرات أخرى بسبب ترتيب الإلكترون الخاص به. يتم ترتيب الذرات كنواة محاطة بسحابة إلكترونية ، مع إلكترونات تتأرجح على مسافات مختلفة من النواة. يتصور الكيميائيون هذه المسافات على أنها أصداف ، ويحددون خصائص الذرات بما يوجد في كل غلاف ، وفقًا لجامعة كاليفورنيا ، ديفيس (يفتح في علامة تبويب جديدة). يحتوي الكربون على غلافين إلكترونيين ، يحتوي الأول على إلكترونين والثاني يحتوي على أربعة من ثمانية مسافات محتملة. عندما تترابط الذرات ، فإنها تشترك في الإلكترونات في غلافها الخارجي. يحتوي الكربون على أربع مساحات فارغة في غلافه الخارجي ، مما يتيح له الارتباط بأربع ذرات أخرى. (يمكنه أيضًا الارتباط بثبات مع عدد أقل من الذرات عن طريق تكوين روابط مزدوجة وثلاثية.)

بعبارة أخرى ، للكربون خيارات. ويستخدمها:تم اكتشاف ما يقرب من 10 ملايين مركب كربون ، ويقدر العلماء أن الكربون هو حجر الأساس لـ 95٪ من المركبات المعروفة ، وفقًا لموقع الويب Chemistry Explained (يفتح في علامة تبويب جديدة). تعد قدرة الكربون المذهلة على الارتباط بالعديد من العناصر الأخرى سببًا رئيسيًا لكونه مهمًا لجميع أشكال الحياة تقريبًا.

لقد ضاع اكتشاف الكربون في التاريخ. كان العنصر معروفًا لدى البشر في عصور ما قبل التاريخ على شكل فحم. لا يزال الكربون كالفحم مصدرًا رئيسيًا للوقود في جميع أنحاء العالم ، حيث يوفر حوالي 37٪ من الكهرباء في العالم ، وفقًا لـ World Coal Association (يفتح في علامة تبويب جديدة). يعد الفحم أيضًا مكونًا رئيسيًا في إنتاج الصلب ، بينما يعد الجرافيت ، وهو شكل آخر من أشكال الكربون ، مادة تشحيم صناعية شائعة.

الكربون 14 هو نظير مشع للكربون يستخدمه علماء الآثار لتأريخ الأشياء والبقايا. يوجد الكربون 14 بشكل طبيعي في الغلاف الجوي. تمتصه النباتات أثناء التنفس ، حيث تقوم بتحويل السكريات المصنوعة أثناء عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة تستخدمها في النمو والحفاظ على العمليات الأخرى ، وفقًا لما ذكره مركز جامعة ولاية أيوا للتقييم غير المدمر (يفتح في علامة تبويب جديدة). تدمج الحيوانات الكربون 14 في أجسامها عن طريق أكل النباتات أو غيرها من الحيوانات الآكلة للنباتات. يبلغ عمر النصف للكربون 14 5730 عامًا ، مما يعني أنه بعد ذلك الوقت ، يتحلل نصف الكربون 14 في عينة ، وفقًا لجامعة أريزونا (يفتح في علامة تبويب جديدة).

نظرًا لأن الكائنات الحية تتوقف عن امتصاص الكربون 14 بعد الموت ، يمكن للعلماء استخدام نصف عمر الكربون 14 كنوع من الساعة لقياس المدة التي مرت منذ موت الكائن الحي. تعمل هذه الطريقة على الكائنات الحية مرة واحدة ، بما في ذلك الأشياء المصنوعة من الخشب أو المواد النباتية الأخرى.

الكربون:من كان يعلم؟

• حصل الكربون على اسمه من الكلمة اللاتينية carbo ، وهو ما يعني "الفحم".
• الماس والجرافيت من بين أقسى المواد الطبيعية وأكثرها نعومة على التوالي. والفرق الوحيد بين الاثنين هو تركيبتهما البلورية.
• يشكل الكربون 0.032٪ من الغلاف الصخري للأرض (القشرة والغطاء الخارجي) من حيث الوزن ، وفقًا لموسوعة الأرض. تقدير تقريبي لوزن الغلاف الصخري بواسطة عالم الجيولوجيا بجامعة لا سال ، ديفيد سميث ، هو 300.000.000.000.000.000.000.000 (أو 3 * 10 ^ 23) رطلاً ، مما يجعل الوزن التقريبي للكربون في الغلاف الصخري 10560.000.000.000.000.000.000 (أو 1.056 * 10 ^ 22) باوند.
• ثاني أكسيد الكربون (ذرة كربون بالإضافة إلى ذرتين من أكسجين ) يشكل حوالي 0.04٪ من الغلاف الجوي للأرض ، وفقًا للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (يفتح في علامة تبويب جديدة) (NOAA) - زيادة عن أوقات ما قبل الصناعة ، بسبب حرق الوقود الأحفوري.
• أول أكسيد الكربون (ذرة كربون بالإضافة إلى ذرة أكسجين واحدة) هو غاز عديم الرائحة ينتج عن احتراق الوقود الأحفوري. أول أكسيد الكربون يقتل عن طريق الارتباط بالهيموجلوبين ، وهو مركب يحمل الأكسجين في الدم. يرتبط أول أكسيد الكربون بالهيموجلوبين بقوة 210 مرات أكثر من ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين ، مما يؤدي بشكل فعال إلى مزاحمة الأكسجين وخنق الأنسجة ، وفقًا لورقة بحثية نُشرت عام 2001 في مجلة الجمعية الملكية للطب (يفتح في علامة تبويب جديدة).
• يتكون الماس ، أكثر نسخة الكربون لمعانًا ، تحت ضغط كبير في أعماق القشرة الأرضية. أكبر ماسة بجودة الأحجار الكريمة تم العثور عليها على الإطلاق كانت ماسة كولينان ، التي تم اكتشافها في عام 1905 ، وفقًا لـ Royal Collection Trust (يفتح في علامة تبويب جديدة). كان الماس غير المصقول 3،106.75 قيراطًا. أكبر جوهرة مقطوعة من الحجر ، بوزن 530.2 قيراطًا ، هي إحدى جواهر التاج في المملكة المتحدة وتُعرف باسم النجم العظيم لأفريقيا.
• وشم جثة أوتزي رجل الجليد ، وهي جثة عمرها 5300 عام تم العثور عليها مجمدة في جبال الألب ، تم حبرها من الكربون ، وفقًا لدراسة أجريت عام 2009 في مجلة العلوم الأثرية. تم عمل شقوق صغيرة في الجلد وفرك الفحم ، ربما كجزء من علاج الوخز بالإبر.

بحث مستمر

الكربون عنصر تمت دراسته منذ فترة طويلة ، لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد المزيد لاكتشافه. في الواقع ، قد يكون نفس العنصر الذي أحرقه أسلافنا في عصور ما قبل التاريخ مثل الفحم هو مفتاح الجيل التالي من المواد التقنية.

في عام 1985 ، اكتشف ريك سمالي وروبرت كورل من جامعة رايس في تكساس وزملاؤهما شكلاً جديدًا من الكربون. من خلال تبخير الجرافيت بالليزر ، ابتكر العلماء جزيءًا جديدًا غامضًا مصنوعًا من الكربون النقي ، وفقًا لجمعية الكيمياء الأمريكية (يفتح في علامة تبويب جديدة). تبين أن هذا الجزيء عبارة عن كرة على شكل كرة قدم مكونة من 60 ذرة كربون. أطلق فريق البحث على اكتشافهم اسم Buckminsterfullerene على اسم المهندس المعماري الذي صمم القباب الجيوديسية. يُعرف الجزيء الآن بشكل أكثر شيوعًا باسم "كرة بوكي". الباحثون الذين اكتشفوا أنه حصل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996. تم العثور على بوكي بولز لمنع انتشار فيروس نقص المناعة البشرية ، وفقا لدراسة نشرت في عام 2009 في مجلة المعلومات الكيميائية والنمذجة (يفتح في علامة تبويب جديدة) ؛ يعمل الباحثون الطبيون على ربط الأدوية ، جزيء تلو الجزيء ، بكرات البكي من أجل إيصال الدواء مباشرة إلى مواقع العدوى أو الأورام في الجسم ؛ يتضمن هذا البحث الذي أجرته جامعة كولومبيا (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، وجامعة رايس (يفتح في علامة تبويب جديدة) وغيرها. في عام 2021 ، وجد الباحثون بقيادة يونغ جون تيان من جامعة يانشان في الصين ذلك عن طريق ضغط كرات بوكي (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، يمكن أن يصنعوا أصعب مادة غير بلورية على الإطلاق ، تقريبًا مثل الماس.

تم اكتشاف جزيئات كربون نقية جديدة أخرى - تسمى الفوليرينات - بما في ذلك "بوكي بيغز" على شكل بيضاوي الشكل (يفتح في علامة تبويب جديدة) وأنابيب نانوية كربونية ذات خصائص موصلة مذهلة. لا تزال كيمياء الكربون ساخنة بدرجة كافية للفوز بجوائز نوبل:في عام 2010 ، فاز باحثون من اليابان والولايات المتحدة بواحدة لمعرفة كيفية ربط ذرات الكربون معًا باستخدام ذرات البلاديوم ، وهي طريقة تمكن من تصنيع جزيئات الكربون الكبيرة والمعقدة ، وفقًا لمؤسسة نوبل.

يعمل العلماء والمهندسون مع هذه المواد الكربونية النانوية لبناء مواد مباشرة من الخيال العلمي. أفادت ورقة بحثية نُشرت عام 2010 في مجلة Nano Letters (تُفتح في علامة تبويب جديدة) عن اختراع منسوجات مرنة موصلة مغموسة في "حبر" أنابيب الكربون النانوية التي يمكن استخدامها لتخزين الطاقة ، وربما تمهد الطريق للبطاريات القابلة للارتداء والخلايا الشمسية وغيرها إلكترونيات. الحبر متوفر الآن تجاريًا من شركات توريد المواد الكيميائية.

ربما يكون أحد المجالات الأكثر سخونة في أبحاث الكربون اليوم ، مع ذلك ، يتضمن "المادة المعجزة" الجرافين. الجرافين عبارة عن لوح من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط. إنها أقوى مادة معروفة بينما لا تزال خفيفة ومرنة. وهي توصل الكهرباء أفضل من النحاس. لا يزال العلماء يكتشفون خصائص جديدة للجرافين. في عام 2020 ، على سبيل المثال ، ذكر الباحثون في مجلة Nature Physics (يفتح في علامة تبويب جديدة) أنه من خلال تكديس الجرافين بالطريقة الصحيحة ، يمكنهم جعله ممغنطًا.

يمثل إنتاج الجرافين بكميات كبيرة تحديًا ، على الرغم من أن الباحثين في أبريل 2014 أفادوا أنه يمكنهم إنتاج كميات كبيرة باستخدام لا شيء سوى خلاط المطبخ. في عام 2020 ، طور العلماء في TU Delft في هولندا نموذجًا رياضيًا (يفتح في علامة تبويب جديدة) لتوجيه الإنتاج على نطاق واسع. إذا تمكن العلماء من اكتشاف كيفية صنع الكثير من الجرافين بسهولة ، فقد تصبح المادة ضخمة في مجال التكنولوجيا. تخيل الأدوات المرنة غير القابلة للكسر والتي تصادف أن تكون قليلة السُمك أيضًا. لقد قطع الكربون شوطًا طويلاً من الفحم والماس ، في الواقع.

الأنابيب النانوية الكربونية

الأنبوب النانوي الكربوني (CNT) هو هيكل صغير يشبه القش مصنوع من ذرات الكربون. هذه الأنابيب مفيدة للغاية في مجموعة متنوعة من التقنيات الإلكترونية والمغناطيسية والميكانيكية. أقطار هذه الأنابيب صغيرة جدًا لدرجة أنها تقاس بالنانومتر. النانومتر هو جزء من المليار من المتر - حوالي 10000 مرة أصغر من شعرة الإنسان.

تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى 100 مرة على الأقل من الفولاذ ، ولكنها ثقيلة سدسها فقط ، لذا يمكنها إضافة قوة إلى أي مادة تقريبًا ، وفقًا لـ UnderstandingNano.com (يفتح في علامة تبويب جديدة) كما أنها أفضل من النحاس في توصيل الكهرباء والحرارة.

يتم تطبيق تقنية النانو في السعي لتحويل مياه البحر إلى مياه شرب. في دراسة جديدة ، طور العلماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) عملية أنابيب نانوية كربونية (تُفتح في علامة تبويب جديدة) يمكنها إخراج الملح من مياه البحر بكفاءة أكبر بكثير من التقنيات التقليدية.

على سبيل المثال ، تضخ عمليات التحلية التقليدية مياه البحر تحت ضغط عالٍ ، وترسلها عبر أغشية التناضح العكسي. تقوم هذه الأغشية بعد ذلك برفض جميع الجزيئات الكبيرة ، بما في ذلك الأملاح ، مما يسمح بمرور المياه النظيفة فقط. ومع ذلك ، فإن محطات التحلية هذه باهظة الثمن ولا يمكنها معالجة سوى حوالي 10 في المائة من احتياجات المياه في المقاطعة ، وفقًا لـ LLNL.

في دراسة الأنابيب النانوية ، قام العلماء بتقليد الطريقة التي يتم بها بناء الأغشية البيولوجية:بشكل أساسي مصفوفة ذات مسام داخل الغشاء. استخدموا الأنابيب النانوية التي كانت صغيرة بشكل خاص - أرق من شعرة الإنسان بأكثر من 50000 مرة. تسمح هذه الأنابيب النانوية الدقيقة بتدفق عالي جدًا من الماء ولكنها ضيقة جدًا بحيث لا يمكن إلا لجزيء ماء واحد أن يمر عبر الأنبوب في المرة الواحدة. والأهم من ذلك ، أن أيونات الملح أكبر من أن تدخل الأنبوب.

يعتقد الباحثون أن الاكتشاف الجديد له آثار مهمة على الجيل القادم من عمليات تنقية المياه وتقنيات الأغشية عالية التدفق.

شارك في التقرير تريسي بيدرسن ، مساهم في Live Science.

موارد إضافية

• تعرف على المزيد حول عنصر الكربون على موقع الويب الخاص بـ Jefferson Lab National Accelerator Facility (يفتح في علامة تبويب جديدة).
• مرصد الأرض التابع لناسا (يفتح في علامة تبويب جديدة) يحتوي على وصف شامل لدورة الكربون ، من كيفية تكوينه إلى دورانه عبر النظم البيئية للأرض ، مع انبعاث بعض هذا الكربون في الغلاف الجوي.
• تعرف على المزيد حول الكربون والماس في معهد سميثسونيان. (يفتح في علامة تبويب جديدة)

ببليوغرافيا

الملك ، H. " الماس (يفتح في علامة تبويب جديدة). "Geology.com. تم الوصول إليه في 10 آذار (مارس) 2022.

Tiwari ، S.K. ، وآخرون. "أبحاث الجرافين ومخرجاتها:الحالة والتوقعات ،" مجلة العلوم:المواد والأجهزة المتقدمة ، المجلد. 5 ، العدد 1 ، 10-29 ، مارس 2020. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.006. (يفتح في علامة تبويب جديدة)

راو ، ر ، وآخرون. "الأنابيب النانوية الكربونية والمواد النانوية ذات الصلة:التطورات الحرجة والتحديات للتركيب نحو التطبيقات التجارية السائدة" ، ACS Nano 2018 ، 12 ، 12 ، 11756–11784 ، 5 ديسمبر 2018. https://doi.org/10.1021/acsnano .8b06511 (يفتح في علامة تبويب جديدة)