Karbon

Karbon (l. carbo; fr. carbone - kull) - Karbon kommer inn i organiske forbindelser via assimilasjon av karbondioksid (CO2) i fotosyntesen. Det finnes også andre karboksyleringsreaksjoner. Karbon forekommer vanligst som de ikkeradioaktive stabile isotopene karbon-12 (12C) og karbon-13 (13C) og den radioaktive isotopen karbon-14  (14C). Organisk kjemi omfatter studiet av karbonforbindelser.

CO2-fangst "funnet opp" av bakterier, alger og planter for flere hundre millioner år siden

Karbondioksid (CO2) er den viktigste uorganiske karbonkilden,  og danner grunnlag for det meste av den form for liv vi kjenner til. CO2 blir assimilert i enzymkatalyserte reaksjoner (karboksylaser) blant annet enzymet rubisko hos anaerobe og  aerobe fotosyntetiske bakterier plankton, alger, planter og trær.

Alle organismer trenger karbonskjeletter for  kunne bygge opp organiske molekyler som inngår i cellestrukturer  og metabolisme (anabolisme og katabolisme). Dessuten trenger organismene kjemisk energi, ofte lagret i fosforbindinger og reduksjonskraft, og evne til å oksidere (frigi energi) og redusere (lagre energi). Alle molekylene befinner seg i en stadig omsetning (fluks), og via reguleringsmekanismer opprettholdes en indre likevekt (homeostase), et biologisk Le Chateliers prinsipp.

Kunstig CO2-fangst og lagring er å binde og absorbere CO2 fra forbrenningsreaksjoner (søppelforbrenning, kullfyrte gassverk og gasskraftverk, åndingsluft i romkapsler) i basiske løsninger (lut (NaOH, KOH, LiOH), kalsiumoksid (CaO), eller aminer) (CO2-scrubber bl,a, patentert av Mitsubishi®). Bindingen kan reverseres ved å øke temperaturen. I gjødselfabrikker blir CO2 et biprodukt ved produksjon av hydrogen fra metan i Haber-Bosch-prosessen.

Karbon- plass i periodesystemet og noen egenskaper

Karbon (l. carbo – kull, da. kullstoff;  ty.-Kohlenstoff) har atomnummer 6, plass i gruppe 14 i p-blokka, og periode 2 i periodesystemet, med elektronkonfigurasjon: 1s2 2s2 2p2 = [He] 2s2 2p2

Karbon danner grunnlag for alt liv på Jorden, og inngår i millioner av forskjellige kjemiske forbindelser. Karbonatomet kan inngå fire bindinger. Størstedelen av uorganisk karbon foreligger som kalk, dolomitt, og den livsnødvendige gassen karbondioksid (CO2, O=C=O).  Metan (CH4) er en enkleste formen av organisk karbon, men karbon kan danne lange kjeder med stabile og sterke karbon-karbon-bindinger. Store mengder metan er bundet krystallinsk som metanklatrat.  Metanogene bakterier som lever anaerobt bruker CO2 som elektron- og proton-akseptor og det blir dannet metan. Metanogene bakterier finnes i myrområder, bunnsedimenter i innsjøer, i oversvømte rismarker og i mage-tarmsystemet hos dyr, fra husdyr til mennesker. Oksidasjonstrinnet til karbon varierer fra den mest oksiderte +4 i CO2, til den mest reduserte -4 i CH4.Karbon inngår i legering med jern og danner stål, finnes som karbonsvart i blekk og lasertoner, skrivemedium som kullstift og blyant, børster i elektromotorer, elektroder i tørrbatterier, i gummidekk, kulltabletter, grillkull. Metan utgjør ca. 75% av innholdet i naturgass sammen med ca. 15% etan (C2H6) og 5% andre hydrokarboner som propan (C3H8) og butan (C4H10). I kjemisk industri blir metan brukt til å lage metanol (giftig tresprit, CH3OH), formaldehyd (CH2O) (kreftfremkallende), og giftige organiske løsningsmidler i reaksjon med klor som kloroform (CH3Cl) og karbontetraklorid (CCl4).

Etter bor (B) i periodesystemet kommer karbon (C) med orbitalstruktur 1s2 2s2 2p2. Valensskallet til C har 2 elektroner i 2s orbital, samt tre 2p orbitaler, to med ett elektron og et tomt. Et orbital angir sannsynlighetstettheten for å treffe på et elektron rundt atomkjernen. Hvordan elektroner er organisert i atomorbitaler rundt atomkjernen i atomer eller molekylorbitaler rundt molekyler er med å bestemme de kjemiske egenskapene. Ved å flytte ett elektron fra 2s orbitalet til det ledige 2p orbitalet og hybridisere til sp3, så er det mulig å danne binding med for eksempel 1s orbitalet i hydrogen, som gir et tetraeder i form av metan (CH4).  Hydrogen (H) med atomnummer 1 inneholder ett elektron i orbital 1s, samt ett proton.

Orbitalstruktur for karbon

Ett elektron fra 2s orbitalet kan bli flyttet til det ledige 2p orbitalet og hybridisere til et sp3 , orbital hvor det nå blir plass til fire elektroner som kan danne binding i et tetraeder, f.eks. som med fire hydrogenatomer i metan CH4.

Et atom eller molekyl er mest stabilt i grunntilstanden når elektronene har lavest mulig energi i orbitalene. Hvordan elektroner er organisert i orbitalene i et atom eller molekyl er med å bestemme de kjemiske egenskapene. Elektroner har bare to mulige spinretninger, med spinkvantetall ms= +½ og ms=-½. Den elektriske ladningen til elektroner som roterer laget et eget magnetfelt, og elektroner oppfører seg som små magneter. I et orbital er det bare plass til to elektroner, og de må ha motsatt spin. Den østeriske fysikeren Wolfgang Pauli (1900-1958) fikk nobelprisen i fysikk i 1950 for oppdagelsen av Paulis eksklusjonsprinsipp: I samme atom kan ikke to elektroner ha like verdier for alle de fire kvantetallene. Ifølge Hunds regel vil elektroner i orbitaler med lik energi plassere seg slik at det blir færrest mulig elektronpar.

Karbondioksid (CO2) - Et molekyl med politiske- og miljøkonsekvenser

Historie

Den skotske legen og kjemikeren Joseph Black (1728-1729) oppdaget at det var mulig å lage  "fiksert luft" fra kalsiumkarbonat (CaCO3) i kalkstein eller krittstein ved oppvarming eller behandling det med syre. "Fiksert luft" var tyngre enn luft, og kunne ikke opprettholde ilden i en flamme.  Den franske kjemikeren Antoine Lavoisier (1743-1794) kunne vise at "fiksert luft" bestod av karbon og oksygen. Idag vet vi at kalkstein inneholder mineralene kalsitt og aragonitt med forskjellig krystallstruktur av kalsiumkarbonat. Kalksstein danner "Dovers hvite klipper" langs den engelske kanal, samt danske klinter, og er sedimentær fra kalkskall til marine organismer som koraller og poredyr, med lag av leire og sand. Når kalkstein blir utsatt for høyt trykk dannes marmor. Oppvarming av kalkstein til ca. 850oC i en kalkovn (kalkbrenning) blir det dannet kalsiumoksid (CaO), kalt brent eller ulesket kalk, som er basisk og etsende.

CaCO3 → CaO + CO2

Gassen CO2

Molekylet CO2  (karbondioksid, eller kulldioksid som den tidligere ble kalt) bestående av to atomer oksygen og et atom karbon, er en fargeløs og luktfri gass ved vanlig trykk og temperatur, og ca. 1.5 ganger tyngre enn luft. Konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren idag er ca. 0.04 %, tilsvarende 400 ppm (parts per million, deler per million), altså 4 molekyler CO2 per 10000 luftmolekyler. CO2-konsentrasjonen i atmosfæren har økt siden den industrielle revolusjonen, men har også gjennom geoloiske tidsperioder hatt store konsentrasjonssvingninger, men endringen har aldri skjedd så raskt som i vår tid. Oksygen er sterkt elektronegativt og trekker mer på elektronene i bindingen enn karbon, noe som forskyver elektronene mot de to oksygenatomene. Siden CO2 er et lineært molekyl, O=C=O, så får ikke molekylet noe permanent  elektrisk  dipolmoment siden de to ladningene opphver hverandre. Men, siden C atomet og O-atomene ikke står stille, men strekker seg, trekker seg sammen og bøyer seg (oscillerer) i alle retninger blir ikke molekylet helt lineært, og det oppstår det et fluktuerende dipolmoment. Dette gjør også at CO2-molekylet både kan absorbere og avgi elektromagnetisk infrarød varmestråling. Forøvrig er CO2 et forholdsvis stabilt og lite reaktivt molekyl.

Oksygen er en sp2-hybrid med tre sp2-orbitaler og en p-orbital. Karbon er en sp-hybrid med to sp-orbitaler og to p-orbitaler. Når sp2 og sp-orbitalene overlapper hverandre dannes det en sigmabinding, mens de overlapp i p-orbitaler gir en pi-binding, som tilsammen danner en dobbeltbinding (=) mellom oksygen og karbon, og avstanden mellom O og C er 116.3 pikometer.

Fasedigram for CO2 - Gass, væske eller fast stoff

I gassfase er det lite tiltrekning CO2-molekylene. Ved lav temperatur og høyt trykk kan imidlertid CO2 bli omdannet til en væske. Ved ytterligere lavere temperatur og økt trykk går CO2 over i fast form som tørris. Faseovergangene for CO2 mellom tilstandformene gass, væske, og fast form kan vises i et trykk-temperatur fasediagram med temperatur på x-aksen og trykk på y-aksen, med tilhørende trippelpunkt (hvor det ikke er noen fasegrense mellom flytende CO2 og CO2-gass), og kritisk punkt hvor alle fasene er i likevekt. Ved romtemperatur og vanlig lufttrykk vil CO2 i tørris sublimere, og gå direkte over i gassfase.  CO2 har ingen væskefase under 5.1 atmosfærer (520 kPa). Ved -78.5 oC og standard atmosfæretrykk går CO2 over til fast CO2 (tørris). I tørris ligger molekylene O=C=O parallelt med hverandre, men de kan også snu seg 90o og danne en T-form. Trippelpunktet er ved trykk 5.1 bar (517 kPa, 217K). Kritisk punkt er ved 7.39 MPa og 31.1oC. Ved trykk og temperatur over kritisk punkt oppfører CO2 seg som en superkritisk væske. Ved å underkjøle oppvarmet CO2 ved  ekstremt høye trykk kan CO2 gå over i glassform kalt karbonia. I en gassflaske med CO2 er det høyt trykk <70 atmsfærer og CO2 er i flytende form. Ved 25oC nå trykket være over 67 atmosfærer for å danne væske. Åpnes reduksjonsventilen på gassflaskengår CO2 over i atmosfæretrykk, utvider seg derfor sterkt, noe som gir avkjøling og CO2 danner CO2-snø.  Tilsvarende fasedigram for CO2  har man mellom de tre tilstandsformene for vann: vann, vanndamp og is.

CO2 løst i vann

Det løser seg mer CO2 i vann enn det man forventer bare ut fra Henrys lov. Det skyldes at når CO2 løser seg i vann blir det dannet karbonsyre (H2CO3) som kan dissosiere i to trinn med flere likevekter

CO2 + H2O → H2CO3

H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-   Ka1 = 4.2·10-7

HCO3- ⇔ H+ + CO32-     Ka2 = 4.8·10-11

Avhengig av pH i vannet vil CO2 finnes som CO2, hydrogenkarbonat/bikarbonat (HCO3- ) eller karbonat (CO32-).

I havvann med høy pH blir det utfelling av kalsiumkarbonat og magnesiumkarbonat.

Bruksområder for CO2

I tillegg til å bli assimilert inn i organiske forbindelser katalysert av karboksylaser blir CO2 brukt i vannrenseanlegg, som tilsetning til brusende flaskevann og brus, som kjølemiddl, til brannslukking, i gasspatroner til luftvåpen og oppblåsbare flåter, som løsemiddel og vaskemiddel, til å lage koffeinfri kaffe, CO2-laser, kritiskpunkttørking av preparater i elektronmikroskapi, heving av bakeverk som resultat av gjærmetabolisme m.fl. Siden CO2 som nevnt er tyngre enn luft vil det synke til det laveste punkt og kunne gi kvelning hos personer som befinner seg der.

En viktig kilde til industriell bruk av CO2 kommer fra gjødselindustrien hvor man bruker metan (CH4) til å produsere hydrogen (H2) og biproduktet CO2.

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2

Karbonisotoper

Karbon forekommer i tre isotoper de stabile isotopene karbon-12, 12C (98.93%) og karbon-13,  13C (1.07%), og den radioaktive karbon-14.   14C med halveringstid 5730 år og betastråling (0.158MeV). Den radioaktive karbon-14,  14C,  blir dannet i stratosfæren i reaksjon mellom termiske nøytroner og nitrogen. Andre kilder til C-14 ( 14C) er atombombeprøvesprengninger i atmosfæren, spesielt på 1950- og 1960-tallet, uhell ved kjernekraftverk, og utslipp fra forskningsinstitutter hvor 14C ble mye brukt for å klarlegge organismenes biokjemi og metabolisme. 

δ-13C (delta C13-forhold)

\(\delta ^{13}C = \left( {R_{prøve} \over R_{standard}}-1 \right) \cdot 1000 \; hvor \; R={{^{13}CO_2} \over {^{12}CO_2}}\)

Karbonisotopen 12C eller lettere enn 13C, diffunderer således raskere og blir anriket i biologisk materiale. Dessuten skjer det isotopfraksjonering i de biokjemiske trinnene katalysert av enzymer. Isotopsignaturen som forholdet mellom isotopene 12C/13C angitt som δ-13C-forhold med måleenheten promille  blir mye brukt i studiet av karbonomsetning i biologiske systemer. For å ha en standard hvordan forholdet mellom karbonisotopene var i tidligere tider bruker man kalkskallet fra en utdødd gruppe blekkspruter, Belemniter, fra Peedee-formasjonen i Syd-Carolina i USA. Ved å behandle kalken med syre fås karbondioksid og forholdet mellom isotopene kan måles. National Bureau of Standards har laget en ny standard i forhold til denne. 12CO2 er lettere enn 13CO2 og diffunderer raskere, men det CO2-fikserende enzymet rubisko skiller mer mellom disse isotopene enn fosfoenolpyruvat karboksylase som i første trinn fikserer CO2 hos C4-planter og CAM-planter. Det viser seg at C3-planter har et delta C-13 forhold (δ13C) lik ca. -28‰ (-35 til -28)og C4-planter har δ13C ca. -14‰ (-15 til -10). C3-planter som utsettes for tørke får en mer positiv δ13C. 

Allotrope former

Karbon kan bindes sammen på forskjellige måter i allotrope former (gr. allos – andre; trope – vende, forandre) som det  svarte myke grafitt, steinharde og gjennomsiktige diamant, og amorft (gr. a – uten; morphe – form) karbon som sot.  Antoine Lavoisier viste i 1772 at diamant var en form for karbon. René Antoine Ferchault de Réaumur fant at jern kan bli omdannet til stål ved å absorbere karbon.

I grafitt (gr. graphein – skrive) ligger karbonatomene i sekskanter (heksagonalt) i sjikt, mens i diamant er karbonatomene plassert kubisk, som representerer to ytterligheter i hardhet. Grafitt har god elektrisk ledningsevne, skyldes delokaliserte elektroner,  mens diamant har dårlig ledningsevne. Under høyt trykk kan grafitt bli omdannet til diamant, industridiamanter. En periode trodde man at grafitt var bly, derav navnet blyant.

Et atomtynt lag med grafitt, et sjikt med heksagonalt karbon, kalt grafen (grafén) ble oppdaget av Andre Geim og Konstantin Novoselov (nobelprisen i fysikk 2010).

Karbon danner fire kovalente bindinger med enten andre karbonatomer eller med andre grunnstoffer i form av organiske syrer, alkoholer, ketoner, eller aldehyder.En enkel C-C binding deler et par elektroner, en karbon-karbon dobbeltbinding (C=C) deler to par elektroner og en karbon-karbon trippelbinding deler tre par elektroner, og etter som antall bindinger mellom karbonatomene øker blir samtidig blir avstanden mellom karbonatomene mindre, henholdsvis 14, 134 og 120 pm, og bindingsenergien øker, henholdsvis 348, 615 og 812 kJ mol-1.

Alt levende liv på Jorden inneholder organiske karbonforbindelser, og disse danner grunnlaget for fossilt karbon i kull, olje og naturgass. Hydrokarboner som brenner med liten oksygentilgang danner sot som består for det meste av rent karbon. Sot blir blandet med gummi i bildekke, og sot benyttes som trykksverte.

Kull er hydrokarboner, mest karbon (C), noe hydrogen (H), samt svovel (S), oksygen (O) og nitrogen (N).  Fossilt kull innholder 75-90% C, mens antrasitt innholder 90-95% C. Ved oppvarming og tørrdestillasjon av kull avgis gass (metan (CH4), nitrogen (N2), karbondioksid (CO2), karbonmonoksid (CO), hydrogensulfid (H2S), blåsyre (HCN), ammoniakk (NH3) og karbondisulfid (CS2), og restproduktene blir koks og steinkulltjære. Steinkulltjære (kreosot) har blitt brukt til impregnering av jernbanesviller og stolper.Koks blir benyttet som reduksjonsmiddel i metallurgisk industri, bl.a. i produksjon av jern. Steinkulltjære ga utgangsmateriale for anilinfarger i den den syntetiske fargeindustrien. Knust koks blandet med steinkulltjære oppvarmet til ca. 1000oC gir materiale til elektriske elektroder.  Grafitt består av plater med karbon som kan gli i forhold til hverandre. Grafitt kan være heksagonalt, parallelle sjikt med karbon seksringer , eller rombeformet trigonalt. Grafitt kan bli brukt som moderator i kjernereaktorer hvor det fanger inn nøytroner fra kjernereaksjonen. Ved analyse av de termodynamiske forhold mellom grafitt og diamant, fant man at det er mulig å lage industridiamanter fra grafitt ved høyt trykk, ca. hundretusen atmosfærer og ved temperatur ca. 2900oC. Med en blanding med ca. 1% metan i hydrogengass ved lavt trykk i kontakt med et varmefilament kan det bli avsatt et tynt sjikt med diamantkarbon på en metalloverflate. For eksempel på en diamantkniv brukt til å skjære glass. Diamant er en god varmeleder og kan også bli benyttet i elektronikkindustrien. Diamanter med et tetraedernettverk av karbon kuttet og polert glitrer i lyset, og har vært lovprist som smykkestein i ringer, halssmykker, tiaraer, kroner og septere, men hardheten til diamant har gjort den attraktiv som belegg på verktøy. Hydrogen i hydrokarboner kan bli erstattet med halogener, for eksempel karbontetraklorid (CCl4)  som benyttes som et organisk løsemiddel. Kalsiumkarbid (CaC2) i reaksjon med vann danner gassen acetylen (etyn,C2H2). Kalsiumkarbid har vært et av remediene forsøkt brukt for å skremme vekk jordrotter. Kalsiumkarbid har blitt brukt til å bestemme vanninnhold i jord (kalsiumkarbidmetode).

CO2 – en livsnødvendig gass i global karbonsyklus

Karbondioksid (CO2) blir dannet ved forbrenning av organisk materiale ved høy temperatur og i cellerespirasjonen hos organismene hvor forbrenningen skjer enzymatisk ved lav temperatur i  Krebs-syklus i stroma i cellenes mitokondrier. CO2 sammen med andre gasser som vanndamp og metan absorberer langbølget varmestråling fra Jorden som via naturlig drivhuseffekt gir levelig temperatur. Dessuten blir karbon i form av CO2 brukt som karbonkilde i alt levende liv, primært assimilert via fotosyntese. Økt konsentrasjon av CO2 i atmosfæren virker som CO2-gjødling hos C3 planter, noe som kan gi midlertidig økt vekst hvis det ikke er andre begrensende ressurser som vann, nitrogen eller andre næringsstoffer. C3-plantene står for størstedelen av biomasseproduksjonen i de terrestre økosystemene. Hos C3-plantene blir opptil 35% av den CO2 som er fiksert i fotosyntesen frigitt som CO2 via fotorespirasjon. Siden oksygen og karbondioksid konkurrerer om bindingen til enzymet rubisko vil økt konsentrasjon av CO2 i atmosfæren gi redusert fotorespirasjon. Plantenes respons på økt konsentrasjon av CO2 er kompleks, og medfører bl.a. at det dannes færre spalteåpninger per arealenhet på bladene. Er alle de andre vekstparameterene optimale vil tilførsel av CO2 gi økt vekst via CO2-gjødsling.

I cellerespirasjonen hos dyr og planter produseres det CO2. Hos dyrene fjernes CO2 fra metabolismen ved lungerespirasjon. CO2 blir løst i blodet og bindes til blodpotein hemoglobin hos vertebrater, eller til hemocyanin i hemolymfen hos invertebrater.

Dolomittkalk er en blanding av kalsiumkarbonat og magnesiumkarbonat, også brukt til kalking av surt vann og landbruksjord. Vanlig vann i likevekt med CO2 har pH ca. 5.6. Surt regnvann gir nedbrytning av marmor og statuer laget i marmor. For å motvirke har man forsøkt en blanding av bariumhydroksid og urea.

Økende CO2-konsentrasjon i atmosfæren

Et av de store diskusjonstemaene i debatten om antropogene klimaendringer er effekten av økt konsentrasjon av CO2 i atmosfæren. Før den industrielle revolusjon var det stabile flukser av CO2, men menneskets bruk av fossile karbonressurser laget gjennom millioner av år har gitt endringer i CO2-fluksene. Fotosyntese-respirasjon er hoveddrivkraften.

CO2-konsentrasjon i atmosfæren

Figuren viser den månedlige endringen i CO2-konsentrasjonen i løpet av året med størst utskillelse av CO2 i månedene april-mai (fargen magenta), og lavest konsentrasjon i månedene september - november (fargen cyan) hvor fotosyntesen vesentlig på den nordlige halvkule assimilerer CO2.  Fotosyntesen er størst i månedene juni-september, men det er en tidsforsinkelse før man kan måle effekten av fotosyntesen i form av minsket konsentrasjon av CO2 i atmosfæren. Datasett NOAA.

Mauna Loa CO2

Figur som viser stigningen av CO2-konsentrasjonen i atmosfæren. Svingningene i kurven skyldes fotosyntesen. Keelings data fra Mauna Loa, samt NOAA. Legg merke til at y-aksen bare representerer en del av kurven. Datasett fra NOAA.

Mauna Loa modellframskrivning

Figur. Modellframskrivning av CO2-konsentrasjonen i atmosfæren. CO2 er bare en av gassene i atmosfæren som absorberer varmestråling, andre er vanndamp (H2O), metan (CH4), lystgass (N2O), troposfæreozon (O3). Det som gir usikkerhet er hvordan endring i CO2-flukser forårsaket av nedhogging av skog, samt landbruk for å fø en voksende befolkning kan påvirke vanndampflukser i atmosfæren. En flytur over kontinentene viser de dramatiske endringene i vegetasjonen som skyldes menneskelig aktivitet. Det meste av vannet som kommer tilbake til atmosfæren fra terrestre økosystemer kommer via plantenes transpirasjon. I tillegg har man sot fra branner og vulkanutbrudd som stenger for solinnstråling, smelting av is som gir endret albedo, solflekkaktivitet o.a. som danner et komplekst bilde.

Sykliske svingninger i CO2-konsentrasjoner

Figur. Fjerner man trenden fra tidsrekken kan man se de årlige svingningene hvor fotosyntese-fotorespirasjon-respirasjon-forbrenning er de store drivkreftene i CO2-fluksene på Jorden.

Hvorfor blir det dannet varme når hydrokarboner forbrenner eller respireres ?

I en kjemisk reaksjon blir energi frigitt (eksoterm reaksjon) eller absorbert (endoterm reaksjon). Energien som blir frigitt ved oksidasjon av organiske stoffer er avhengig av oksidasjonstrinnet til karbon, det vil si avhengig av forholdet mellom antall hydrogen og karbon (H/C) Jo flere H per C, desto mer energi blir frigitt.

Minner også om at energien som befinner seg i organiske molekyler er protoner og elektroner som opprinnelig kommer fra vann i fotosyntesen,  og energien blir frigitt når elektroner og protoner går tilbake til oksygen og det blir på nytt dannet vann. Ringen sluttet. Imidlertid er det enklere å observere de forskjellige oksidasjonstrinnene i redoks-reaksjoner når man har med ioner å gjøre, enn når man betrakter kovalente bindinger som her, men det er en redoks-reaksjon når vi brenner metan. Redusert karbon i metan avgir elektron og protoner, dvs. blir oksidert, mens oksygen mottar elektroner og protoner og blir redusert. Vi bruker metan som eksempel hvor karbon skifter oksidasjonstrinn fra -4 i metan til +4 i CO2. Metan blir brukt som varmekilde.

Metan er eksempel på et tetraedermolekyl. Et tetraedermolekyl har et senteratom, her C, bundet til et atom (her H) i hvert av de fire hjørnene med vinkel 109.5o. Når metan forbrenner blir det frigitt energi i en eksoterm reaksjon:

CH4 + 3O2 → CO2  + 2H2O  (ΔH =  -891 kJ mol-1)

I kjemiske reaksjoner skjer den en flytting og omstokking av grunnstoffene. Kjemiske bindinger som holder atomene sammen brytes og nye bindinger dannes. Ved brenning av metan brytes kjemiske bindinger i reaktantene metan og oksygen, og nye bindinger blir dannet i produktene karbondioksid og vann. Ved å gjøre overslag over bindingsenergiene i reaktanter og produkter vil man se at det blir et energioverskudd som avgis som varme. Forbrenning av gass eller annet fossilt brensel er grunnet termodynamikkens lover en lite energieffektiv prosess, hvor bare 35-40% av den potensielle energien blir utnyttet, resten går tapt som varme. Derfor har bensin- og diesel-biler en radiator med kjølevæske. Ved ufullstendig forbrenning av organisk materiale blir det dannet karbonmonoksid (CO), en luktfri giftig gass som med polar trippelbinding bindes til hemoglobin i blodet og blokkerer det siste enzymatiske trinnet i elektrontransportkjeden i mitokondriene. CO-forgiftning har gitt mange tragiske dødsfall. Hvis det ikke er oksygen tilstede i forbrenning ved høy temperatur blir organiske forbindelser omdannet til ren karbon, trekull, jfr. kullmile eller tjæremile. For øvrig er karbon lite giftig, og aktivt kull med store overflater blir brukt til å absorbere giftstoffer. Karbon i form av cyanid (CN-) er imidlertid som CO meget giftig og blokkerer på samme vis respirasjonen i mitokondriene.

Den kinetiske energien til et objekt som beveger seg er:

 

\(kinetisk \; energi = \frac {1} {2} m v^2\)

 

hvor m er masse og v er hastighet. Masse er mengden stoff, mens vekt er kraften som et objekt blir tiltrukket av tyngdekraften.hvor m er masse og v er hastighet. Masse er mengden stoff, mens vekt er kraften som et objekt blir tiltrukket av tyngdekraften. Enheten for energi (J, Joule) er mengden kinetisk energi til et objekt med masse 2 kg som beveger seg med hastighet 1 meter per sekund.

 

\(1J = \frac {1}{2} \left( 2kg \right) {\left( 1 \frac {m}{s} \right) }^2 = 1 kg \;m^2 s^{-2}\)

 

James Joule viste at energien til et bevegelig objekt kan omformes til varme. Den gamle energienheten kalori er mengden energi som trengs for å varme opp 1 gram vann 1oC. 1 kalori = 4.184 J

Bryte bindinger er en endoterm reaksjon, den krever absorbert energi, dissosiasjonsenergi, og danne nye bindinger er en eksoterm reaksjon, bindingsenergi, den frigir energi. Entalpi (\(\Delta H\)) er forskjellen mellom absorbert energi til å bryte bindinger i reaktantene (dissosiasjonsenergi) og energi frigitt ved å danne nye bindinger i produktene. Negativ verdi for entalpi vil si at energi blir frigitt i en eksoterm reaksjon. Man betrakter energimengden per mol, og for å lette beregningene omformes de til standardbetingelser med lufttrykk 1 atmosfære og 25oC (298.15K).

 12C som referanse for masse

For å beregne masse bruker man isotopen 12C som referanse hvor 1 atom 12C har 12 masseenheter

\(1 \; atom \; ^{12}C = 12u\)

1 u = 1 dalton

En atomisk masseenhet u= 1.6605402·10-24 g.Massen til et proton er: 1.00727252 u. Massen til et nøytron er: 1.008665 u

pH likevekt

Karbondioksid er i vannfase  i pH-likevekt med hydrogenkarbonat (HCO3-, bikarbonat) og karbonsyre (H2CO3). CO2, HCO3- og H2CO3 utgjør til sammen oppløst uorganisk karbon i vann (DIC). Sjøvann har høy pH og marint finnes mesteparten av det uorganiske karbonet som hydrogenkarbonat (bikarbonat, HCO3-). I sjøvann skjer det en utfelling av kalsiumkarbonat (CaCO3) som inneholder de største uorganiske karbonreservene:

Ca2+ + 2HCO32- ↔ CaCO3 + CO2 + H2O

Fullerener (fotballmolekyler)

I 1985 oppdaget Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley C-60 molekyler, de fikk nobelprisen i kjemi i 1996. Fullerener ligner grafitt, men i fullerener er ikke karbonatomene bare plassert heksagonalt, men også som femkanter (pentagoner). Fullerener er karbonatomer formet som en hul ball eller et hult rør satt sammen av heksagonale ringer, men også pentagoner. Finnes som C60, C70, C76, C82 og C84. Seksti karbonatomer i 12 pentagoner og 20 heksagoner, og følger Eulers formel for polyedre: V – E + F = 2, hvor V er antall hjørner, E er antall kanter og F er antall flater.    Fullerener  har fått navn etter Richard Buckminster Fuller, og blir også kalt ”buckyballer”. Et ikosader blir C60H60. Fullerener finnes fra C20 og C60. Jfr. geodesisk dom innen arkitektur, satt sammen av trekanter.

Fulleren

Karbon kan også bli organisert i nanorør

Nanorør

Mer om karbonflukser.

Et CO2-eksperiment med sprudlende vin eller sodavann

Den følsomme, blonde mademoiselle Louison falt i betraktninger over en drue, som hun lot plumpe ned i champagneglasset. Bitte små blanke luftblærer satte seg fast rundt omring på skallet, og da den var helt bedekket av de skinnende hvite perler, løftet de den unge drue opp gjennom vinen mot overflaten. ”Se” – sa madmoiselle Louison og vendte de store svømmende øyne mot journalisten, ”se hvorledes hvite engler bærer en synder mot himmelen.”

Alexander L Kielland:Siesta. s. 310. Fra Nye noveletter. Samlede verker. Gyldendal Norsk Forlag 1961.

Hvordan forklarer du resultatet ? Champagne eller annet sprudlende sodavann fra flaske er anriket med CO2/HCO3-. Bobler med CO2 fester seg på overflaten og gir økt oppdrift, og druen stiger. Arkimedes lov. Eksperimentet kan også utføres med rosiner som både stiger og synker i væsken.

Grunnstoffet karbon dannet i kjernereaksjoner i stjerner

Grunnstoffet karbon (C) er som de andre grunnstoffene i Universet laget ved fusjonsreaksjoner ved ekstremt høye temperaturer og trykk inne i stjerner, forklart ved en teori utviklet av den britiske astronomen Fred Hoyle (1915-2001) i 1946, som også viser hvordan grunnstoffer tyngre enn jern blir dannet i en supernovanukleosyntese. Både hydrogen og helium er det mye av i Universet. Hydrogen (1H) fusjonerer, danner heliumkjerner og store mengder energi. Grunnstoffet karbon tenker man seg dannet ved fusjon to heliumkjerner (alfa-partikler, 4He) som danner beryllium (8Be) og gammastråling. Deretter skjer det ytterligere en fusjon med en heliumkjerne og det dannes karbon (12C) og gammastråling. De positive ladningene i en atomkjerne frastøter hverandre, men samtidig trekker atomkjernen sammen, den svinger fram og tilbake som en pendel, og at det er mulig å få disse reaksjonene til å skje i spesielle resonanstilstander i atomkjernene. Akkurat på samme måte som eksitering av elektroner fra en grunntilstand til en eksitert tilstand.

\(_2^4He \;+\; _2^4He \;\rightarrow\; _4^8Be \)

\( _4^8Be \;+\; _2^4He \;\rightarrow\;_{\;6}^{12}C \;+\; \gamma\)

Derved ble du mulig å danne oksygen, et av de andre livsviktige grunnstoffene i alt levende

\(_{\;6}^{12}C \;+ \; _2^4He \;\rightarrow\;_{\;8}^{16}O \;+ \gamma\)

sammen med livsnødvendig nitrogen (N) i en CNO-syklus og proton-proton kjedereaksjon.

Mer om global karbonsyklus

Tilbake til hovedsiden

Publisert 4. feb. 2011 10:28 - Sist endret 7. mai 2019 15:26