carbon

I naturen findes de stabile isotoper ¹²C (99 %) og ¹³C (1 %) samt vekslende små mængder af den radioaktive isotop ¹⁴C. Isotopen ¹²C benyttes som standard, idet man internationalt har fastsat enheden mol for stofmængde, n. En stofmængde på 1 mol indeholder lige så mange elementære dele, som der er atomer i 12 g af isotopen ¹²C. Isotopen ¹⁴C benyttes ved aldersbestemmelser; se kulstof 14-datering.

Målinger har vist, at carbonat i meteoritter af typen CI kulchondritter har et væsentligt højere ¹³C/¹²C-forhold, end det man finder i kulstofholdige bjergartsprøver fra Jorden. Dette må skyldes en isotopfraktionering under Solsystemets dannelse (dvs. en adskillelse af ¹³C og ¹²C, således at forholdet mellem isotoperne ændres). Hvis den øgede mængde ¹³C derimod skulle stamme fra ligevægtsreaktioner i den gassky, som Solsystemet blev dannet af, skulle reaktionerne være foregået ved temperaturer på under 300 °C, hvilket næppe er sandsynligt.

Carbon udgør kun 0,02 vægtpct. af den kontinentale jordskorpe og 0,003 vægtpct. af havvandet. Alligevel spiller det en meget vigtig geokemisk, biokemisk og biologisk rolle. Det findes frit i naturen i mineralerne diamant og grafit, der begge består af rent carbon. Det er desuden hovedbestanddelen af et stort antal mineraler, først og fremmest carbonatmineraler som fx calcit, aragonit og malakit. Carbonat findes desuden i nogle fosfat- og silikatmineraler. Carbider som fx cohenit findes i meteoritter. Meteorittypen kulchondritter indeholder organisk-kemiske carbonforbindelser og har op til 5 vægtpct. carbon.

Selvom der kendes et meget stort antal organisk-kemiske forbindelser, findes disse kun sjældent som mineraler i naturen, eksempler er rav og oxalatet whewellit.

Bjergarterne i Jordens kappe indeholder carbon, hvilket bl.a. ses af forekomsten af diamanter i magmabjergarter, der stammer fra dybder mere end 120 km nede i kappen, og af gasindeslutninger med carbondioxid under stort tryk i fx mineralet olivin i basaltiske magmabjergarter.

Carbons forbindelser er så talrige, at deres kemi normalt behandles under betegnelsen organisk kemi, men nogle få stoffer behandles traditionelt under uorganisk kemi; det gælder især de forbindelser, der har ét carbonatom pr. formelenhed, samt forbindelser, der dannes ved højtemperaturreaktioner mellem carbon og metaller.

Oxygenforbindelser. Luftarterne carbondioxid (kuldioxid, kultveilte), CO₂, og carbonmonoxid (kulmonoxid, kulilte, kulos), CO, dannes samtidigt ud fra carbon ved hhv. fuldstændig forbrænding og ufuldstændig forbrænding (underskud af oxygen). Ved høj temperatur reagerer carbon med vand og danner CO og CO₂ samt hydrogen, H₂. Blandingen af carbonmonoxid og hydrogen giver ved forbrænding carbondioxid og vand og anvendes som varmekilde ved synteser ved meget høje temperaturer (1000-3000 °C). Blandingen kan også danne methanol, CH₃OH, når den ledes over en katalysator, fx zinkoxid. Carbondioxid er en normal bestanddel af Jordens atmosfære (0,03 %) og ikke egentlig giftigt. Carbonmonoxid er derimod giftigt, da det fortrænger oxygen fra blodets hæmoglobin. Et indhold i luften på 0,3% virker dræbende på mennesker i løbet af 15 minutter.

Carbonater. Carbondioxid er opløseligt i vand, hvorved det danner kulsyre (carbonsyre): CO₂ + H₂O → H₂CO₃. Kulsyre kan danne to typer af salte: hydrogencarbonater (bicarbonater, tvekulsure salte) indeholdende ionen HCO₃^—, fx natriumhydrogencarbonat, NaHCO₃, og carbonater (kulsure salte) indeholdende ionen CO₃^2—, fx calciumcarbonat, CaCO₃. Store carbonatforekomster findes i og ved alkaliske søer bl.a. i Nordamerika og i Afrika, hvor der findes store aflejringer af mineralet trona. Dette udnyttes i stigende grad til fremstilling af soda, natriumcarbonat, Na₂CO₃∙10H₂O, der også fremstilles industrielt ved Solvay-metoden, se soda.

Halogenforbindelser. Carbon danner forbindelser med halogenerne fluor, F, klor, Cl, brom, Br og jod, I. Der findes dels forbindelser af typen CX₄, hvor X er et af halogenerne, fx tetraklormethan, CCl₄, der anvendes som opløsningsmiddel, dels blandede forbindelser som fx CF₂Cl₂, der under handelsnavnet freon (her freon-12) har haft udbredt anvendelse, bl.a. til forstøvning af væsker (fx i spraydåser). Da freon formodes at virke nedbrydende på ozonlaget, er brugen af freon nu forbudt i mange lande, heriblandt Danmark. Et polymert produkt af carbon og fluor med sammensætningen CF₂ (Teflon®) har fundet en del praktiske anvendelser (fx til belægning på stegepander), da det er meget stabilt over for mange kemiske påvirkninger.

Svovl- og nitrogenforbindelser. Carbon reagerer med svovl til carbondisulfid (svovlkulstof), CS₂, der bl.a. anvendes som opløsningsmiddel i celluloseindustrien. I analogi med, at CO₂ danner carbonater, danner CS₂ thiocarbonater, fx bariumthiocarbonat, BaCS₃. Nitrogen bindes til carbon i forbindelser som fx kaliumcyanid, KCN, og natriumcyanid, NaCN. Det er giftige, saltagtige forbindelser, der med syre giver den giftige luftart hydrogencyanid (cyanbrinte), HCN; se også cyanforbindelser. Nitrogen og svovl er begge bundet til carbon i fx KNCS, kaliumthiocyanat.

Carbider. Carbon danner med mange metaller ved temperaturer over 2000 °C forbindelser, der kaldes carbider. Nogle af dem reagerer med vand eller fortyndede syrer og danner carbonhydrider. Eksempler herpå er berylliumcarbid, Be₂C, og aluminiumcarbid, Al₄C₃, der begge med vand danner methan, CH₄, samt calciumcarbid, CaC₂, der udvikler acetylen, C₂H₂. Syrebestandige carbider er bl.a. siliciumcarbid, SiC, karborundum, et vigtigt slibemiddel, cementit, Fe₃C, en vigtig komponent i stålfremstilling, og carbider af titan, zirconium, niobium og tantal, der har smeltepunkter mellem 3000 og 4000 °C.

Som jordboere uden konkret kendskab til liv andre steder i Universet kender vi kun kulstofbaseret liv. Carbon hører (ligesom brint, nitrogen, ilt, fosfor og svovl) til de grundstoffer, vi antager er essentielle for udfoldelse af enhver form for biologisk liv. Disse grundstoffer (C, H, N, O, P, S) er udgangspunkt i store dele af den eksisterende kemi. Man kender til tusinder af carbonforbindelser, som er så forskelligartede, komplicerede og vigtige, at studiet af dem er en særlig gren af kemien. Den blev i 1800-tallet benævnt organisk kemi, fordi man mente, at alle den slags forbindelser måtte stamme fra levende organismer og kun kunne dannes i livsprocesserne. I starten af 1840'erne, da J. von Liebig og andre kemikere i laboratoriet syntetiserede carbonforbindelser, som var analoge med de forbindelser, man fandt i organismer, indså man, at "organisk kemi" ikke var "livets kemi", men "carbonforbindelsernes kemi", og at ingen skjulte, vitale principper adskilte organisk fra uorganisk kemi. Således gælder der grundlæggende de samme lovmæssigheder for kunstige og naturlige carbonforbindelser på molekylært niveau. Alligevel kan de i forbindelse med levende celler opføre sig forskelligt. Eksempelvis vil nogle af de kunstigt fremstillede carbonforbindelser, man kender i dag, fx plaststoffer som PVC, ikke eller kun meget langsomt kunne nedbrydes af mikroorganismer i økosystemet.

De carbonforbindelser, der naturligt (ved biosyntese) opbygges i levende organismers celler, studeres i biokemien, som også undersøger nedbrydningen af forbindelserne, der sker enten ved spontane processer i cellerne, ved forbrænding (respiration) eller i kraft af de mikroorganismer, der spiller en særlig rolle i de økologiske kredsløb ved at frigive kuldioxid og andre mindre carbonforbindelser. Discipliner som geokemi, fysiologi, biokemi og økologi bidrager til forståelsen af carbonomsætningen på Jorden, både i levende organismer og i deres fysisk-kemiske omgivelser.

To processer i levende organismer, autotrofi og respiration, er afgørende for hhv. opbygning og nedbrydning af carbonforbindelser. De autotrofe organismer kan enten som grønne planter være fotoautotrofe og udnytte solens energi eller som visse bakterier være kemoautotrofe og udnytte kemisk energi fra uorganiske forbindelser. I begge tilfælde bruges energi til biosyntesen af carbonforbindelser. Ved respiration ("ånding") udnyttes den kemiske energi, som er bundet i carbonforbindelser, til cellernes vigtigste livsfunktioner. Groft sagt er fotosyntese og respiration hinandens omvendte. Fotosyntese: 6 CO₂ + 6 H₂O + lysenergi → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ Respiration: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + kemisk energi Sukkerstoffet C₆H₁₂O₆ er grundlaget for videre syntese af mere komplekse carbonforbindelser.

De biokemisk vigtige carbonforbindelser i vores krop omfatter især fire store familier af makromolekyler, der bl.a. fungerer som byggesten og energitransportører i de levende celler: proteiner (inkl. enzymer), nukleinsyrer (bl.a. DNA), kulhydrater og lipider. Carbonatomet, som danner fire covalente bindinger, spiller den centrale rolle som rygrad i disse molekyler pga. dets særlige evne til at danne lange, fleksible kæder. For hvert led i kæden bruger carbonatomet to af sine fire covalente bindinger til forbindelsen til de to naboatomer; de to andre er frie til at binde enten ilt, brint eller andre atomer eller til at lave sidekæder af carbonforbindelser. Variationsmulighederne er (næsten) uendelige. Der kan også forekomme dobbeltbindinger (som fx i umættede fedtsyrer) mellem to C-atomer, hvilket giver carbonrygraden i molekylet større stivhed. Carbon udgør (i atom-pct.) 11 % af den menneskelige organisme, mens ilt udgør 25 % og brint 60 %. I Universet er forekomsten af disse grundstoffer 0,9 % for carbon, 0,06 % for ilt og 91 % for brint.

I den vandige, gel-agtige opløsning (cytoplasma) inde i cellerne foregår de biokemiske omsætninger af carbonforbindelser ofte som cyklusser af mange trin, der hver involverer reaktioner mellem specifikke molekyler. De er specifikke, idet deres atomer er sammenknyttet på ganske bestemte måder (beskrevet ved deres strukturformel). Deres tredimensionale struktur er forholdsvis stabil, veldefineret og bestemmende for makromolekylernes evne til indbyrdes at "genkende" hinanden, hvilket er afgørende for disse cyklussers præcise forløb. Genkendelsesproceduren mellem to molekyler sammenlignes ofte med en nøgle, som skal finde en lås, der passer. Fx består et enzym af en lang kæde af aminosyrer, der er foldet op på en ganske bestemt måde, som fastlægger enzymets overordnede form. Formen har betydning for enzymets funktion: Det enkelte carbonatom spiller ikke nogen isoleret rolle i forbindelse med et enzyms genkendelse af sit substrat (fx et andet protein eller et kulhydrat); det er selve måden, som enzymmolekylet er foldet op på, der bestemmer dets stabile form.

Carbons opdagelseshistorie er lige så lang som kemiens historie. Opdagelsen af sod, der er forholdsvis rent carbon, må være så gammel som opdagelsen af ilden, og sod blev i oldtiden benyttet som sort farvestof. Trækul blev benyttet ved fremstilling af metaller; også carbon i form af diamanter kendes fra oldtiden.

I 1664 opdagede R. Boyle, at diamanter kan brænde, og i løbet af 1700-tallet fandt kemikere ud af, at det er den samme gas, der dannes ved forbrænding af diamant som af trækul. Omkring år 1800 blev man også klar over grafits natur. Helt op til denne tid kaldtes grafit for "blyant" og forveksledes ofte med molybdænsulfid, MoS₂. Opdagelsen af fullerenerne skete omkring 1990.

Der har hersket megen uenighed om benævnelsen af grundstoffet carbon, især hvad angår navnene carbon og kul. Uenigheden afspejles i en række ældre navne, som stadig er i brug: Kulos, kulgas og kulilte bruges som navne for carbonmonoxid; kulsyre er et ældre navn, som stadig benyttes for såvel carbondioxid som for carbonsyre; kulsur natron er natriumcarbonat, og tvekulsur natron er natriumhydrogencarbonat, mens kulbrinter er det samme som carbonhydrider (hydrocarboner).

• det periodiske system
• kulstofkredsløb