Karbon

Karbon evrende bolluk bakımında altıncı sırada gelen bir elementtir. Dünyada hem

doğal halde, hem de başka elementlerle bileşik halinde bulunur ve kütle olarak

yerkabuğunun yaklaşık % 0.2’sini oluşturur. IV A grubunun en hafif elementi olan karbon

bir ametaldir. Karbonun atom numarası 6, atom ağırlığı ise 12.010 g mol

’dür. Elektron

dizilişi 1s

2s

2p

şeklindedir. Karbonun kendi kendine bağ yapma yeteneği, sp

(elmas

gibi) ve sp

(grafit gibi) hibritleşmeleri ile sağlanır. sp

hibritleşmesinde 3 tane dış elektron

bulunur ve birbirleri arasındaki açı 120

C’ dir. Üçüncü p orbitalindeki dördüncü elektron π

bağı yapabilme kapasitesi ile komşu atomlara bağlanır. Karbonun bazı özellikleri Tablo

1.1’de verilmektedir [2].

Karbon bileşiklerinin sayısı oldukça fazladır. Karbonatlar toprakta oldukça yaygın bir

şekilde bulunur. Karbonun hidrojen, oksijen ve azotla oluşturduğu bileşikler bitkisel ve

hayvansal organizmaların yapısında önemli bir yer tutar. Karbon bileşikleri yaşayan bütün

hücrelerin temelini oluşturur. Doğada bulunan bütün canlılar karbon bileşiklerinden

oluşmaktadır. Karbon doğada yaygın bir biçimde bulunmaktadır. Güneşte, yıldızlarda,

kuyruklu yıldızlarda birçok gezegenin atmosferinde bulunmaktadır. Mars’ın atmosferi %

96 civarında CO

içermektedir. Karbon 14 (C14) izotopu yardımı ile yaşlılık testi ve

çömleklerden firavun mumyalarına, fosillerden antika ahşap eşyalara kadar her alanda yaş

tayini yapılabilir [58]. Karbon düşük sıcaklıklarda yükseltgenmesi çok zor olduğundan,

asit-bazlarla tepkimeye girmez, yüksek sıcaklıklarda ise kükürt buharı ile birleşerek

karbonsülfürü, silisyum ve bazı metallerle birleşerek karbürleri, oksijen ile birleşerek CO

ve CO

’i oluşturmaktadır. Karbon yüksek sıcaklıklarda metallerle bileşik yapmış olan

oksijen ile kolaylıkla birleşmektedir. Bu nedenle metalurji endüstrisinde, demir ve çinko

oksit gibi metal oksit cevherlerinin indirgenmesinde, çok miktarda kok kömürü

kullanılmaktadır.

Elementel karbonun doğada birkaç allotropu vardır. Elmas ve grafit, karbonun en çok

raslanan allotroplarındandır. Elmasta her karbon atomu, dört başka karbon atomuna

bağlanarak üç boyutlu katı bir yapı oluşturur. Grafitte ise karbon atomları üst üste yığılmış

geniş ve yassı levhalar oluşturacak biçimde iki boyutlu düzlemde birbirlerine bağlanmıştır.

Bu levhalar birbirlerinin üzerinden kolayca kayar. Grafitin iyi bir yağlayıcı olma özelliği

de bundan kaynaklanır. Grafitin kâğıt üzerinde iz bırakmasının nedeni de, bu ince atom

levhalarının grafitten ayrılarak kâğıdın üzerinde birikmesidir. Elmas ve grafit dışında

karbonun ayrıca altıgen elmas gibi doğal, camsı karbon, fullerenler kümelenmiş elmas

nanoçubukları, karbon nanoköpüğü, doğrusal asetilenik karbon gibi yapay allotropları da

vardır. Karbonun belirgin, kendilerine özgü bir yapısı ya da biçimi olmayan allotropuna

amorf karbon denir. Kömür bu biçimdedir. Ayrıca aktif karbon için de bir çeşit amorf

karbon denebilir [59].

Tablo 1.1. Karbonun fiziksel ve kimyasal özellikleri

Sembolü C

Atom numarası 6

Sınıfı Ametal

Rengi Grafit siyah, elmas ise renksizdir

Kristal yapısı Kübik

Grubu IV A grubu

Periyot 2. Periyot

Atom kütlesi 12.010 g mol

Erime sıcaklığı 3500

C

Kaynama sıcaklığı 4800

C

Standart hali 298 K’de katı

İzotopları 10, 12, 13, 14, 15, 16

Yükseltgenme dereceleri –4, +2, +4

Elektron dağılımı 1s

2s

2p

1.6.1. Grafit

Grafit, karbonun yaygın bir allotropudur ve yarı metal modifikasyonudur. Yumuşak,

yağlı, kâğıtta iz bırakan, siyah renkli bir katı maddedir. Grafitte her bir karbon atomu aynı

düzlemde bulunan diğer üç atoma altıgen halkalar oluşturacak şekilde bağlanır. Bu halkalar

içerisinde karbon-karbon uzaklığı 245.6 pm’dir. Oluşan ağ iki boyutludur ve bu şekilde

meydana gelen tabakalar birbirine nispeten zayıf bağlarla bağlanır. Bu yüzden, tabakala

birbirlerinin üzerinde kolayca kayar (Şekil 1.2(a)). Grafit elektriği iyi iletir. Yoğunluğu

2.25 g cm

’dür. [2,60]. Endüstriyel olarak grafitin büyük bir kısmı kömürden çok yüksek

sıcaklıklarda sentezlenmektedir. Grafit düşük sertliktedir, bükülebilir, yumuşaktır ve hafif

metal parıltısındadır. Grafit yüksek erime noktası, bilinen çözücülerde çözünmeme ve iyi

elektrik iletkenliğine sahip olma gibi özellikleri nedeni ile kalıplanarak elektroliz

kaplarında elektrot olarak, elektrik motorlarında kollektör olarak ve kurşun kalem

üretiminde kullanılmaktadır.

Grafit, yağ haline getirilip makinelerde, çalışan parçaların birbirine sürtünürken

aşınmasını azaltmak ya da engellemek amacıyla yağlayıcı olarak kullanılır. Kurşun

kalemlerin içindeki uç da, içine kil katılarak biraz sertleştirilmiş grafittir. Grafitin elde

edildiği başlıca yerler Sri Lanka, Sibirya, Kuzey Amerika ve Meksika'dır. Grafit,

kokömürünün çok yüksek sıcaklıklarda işlenmesiyle yapay olarak da üretilebilir. Grafit

çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir, ayrıca çok iyi bir elektrik iletkenidir. Bu nedenle,

çamaşır makinesi ve elektrikli süpürge gibi aygıtlardaki elektrik motorlarının fırçaları

grafitten yapılır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da

grafitten yararlanılmaya başlanmıştır [59,61].

1.6.2. Elmas

Elementel karbonun diğer kristalin formu ise elmastır. Yüzey merkezli kübik

yapıdaki elmas çok serttir. Elmas karbonun tamamen ametal olan şeklini oluşturmaktadır.

Grafitte karbon katmanları arasındaki bağlanma zayıfça sağlanırken elmastaki bağlanma

güçlü kimyasal bağlarla olmaktadır (Şekil 1.2(b)). Elmasın yoğunluğu 3.51 g cm

’dür.

Karbonun bütün elektronları ortaklaşa kullanmasından dolayı elmas elektriği iletmez.

Elmaslar 15000 atm basınçta 2000

C’de grafite dönüşebilir. Elmas mağmanın üst

tabakasında oluşmaktadır [2].

Saf elmas bilinen en sert doğal maddedir. Renksiz ve saydam olmasına karşın, başka

minerallerle saflığı bozulduğu zaman pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çeşitli

renklerde bulunabilir. Elmas kimyasal bakımdan inert olmasına rağmen yüksek

sıcaklıklarda havada yanması sağlanabilir. Isıyı iyi iletmez ve elektriksel olarak

yalıtkandır. 1955’e kadar yanardağ kökenli doğal yataklar tek elmas kaynağıyken, o

tarihten bu yana aletlerde ve pikap iğnelerinde kullanılan elmaslar, grafitin yüksek

basınçlara ve sıcaklıklara uğratılmasıyla yapay olarak üretilmektedir. Ancak mücevher

niteliğindeki elmaslar bu yolla elde edilemez.

Elmasın özellikleri, bütünüyle birbirine kenetlenmiş dörtyüzlü karbon atomlarının

oluşturduğu kristal yapısından kaynaklanır; bu atomların her biri, en yakın dört komşusuna

ortaklaşa bağlanmıştır. Karbon-karbon bağının olağanüstü dayanıklılığı ve ortaklaşa

bağlarla kenetlenmiş yapısı, elmasın sert ve eylemsiz olmasını sağlayan nedenlerdir [61].

(a) (b)

Şekil 1.2. Grafit (a) ve elmasın (b) yapısı