DÜNYA YAŞAMININ TEMEL ELEMENTİ "KARBON"

DÜNYA YAŞAMININ TEMEL ELEMENTİ "KARBON"

Karbonun Kimlik Kartı

  • Sembolü: C
  • Atom Numarası: 6
  • Sınıfı: Ametal
  • Rengi: Grafit siyahtır, elmas ise renksizdir.
  • Kristal Yapısı: Kübik
  • Grubu: 4A grubu
  • Periyot: 2.
  • Atom Kütlesi: 12.01
  • Erime Sıcaklığı: 3500 °C
  • Kaynama Sıcaklığı: 4800 °C
  • Standart Hali: 298 °K katı
  • İzotopları: 10,12,13,14,15,60
  • Yükseltgenme Dereceleri: -4,+2,+4
  • Elektron Biçimlenmesi: 1s 2s 2p

 

Karbon Atomu

  

   Elmas (Saf Karbon)

  

Grafit

Büyük Patlama'dan sonra ortaya çıkan galaksiler ve yıldızlarda, artık daha ağır elementler oluşmaya başlayacaktır. Yıldızları dengede tutan, yıldızın çekirdeğinin kütlesel çekimine karşı ürettiği hidrojeni, helyuma çeviren ısının baskısıdır. Zamanla ısı ortaya çıkaran bu dönüşüm zayıflayınca, yıldızın kendi üzerine patlayarak çökmesi ve arkasından bir süpernova patlamasıyla dışa saçılması, Karbon, oksijen, demir gibi canlı yaşamın temelini teşkil eden ağır elementleri evrene saçmıştır. İşte Karbonun üretimi böyle bir yıldız ocağında gerçekleşmiş ve süpernova patlamasıyla dünya yaşamının temel elementi haline gelmiştir.

Karbon(C), periyodik tablonun 4A grubunda yer alan, ametal bir elementtir. Doğada çok yaygın olarak bulunmakla birlikte, yerkabuğunun yaklaşık % 0,2'sini oluşturur. Buna karşılık, bileşik oluşturan diğer elementlerden daha fazla bileşik oluşturur. Karbon, kömür ve organik bileşiklerin ana elementidir.

Karbon, çeşitli allotropik(*) biçimler gösteren bir katıdır. Karbonun 4 tane allotropu vardır. Bunlar, amorf, grafit, elmas ve fulleren dir. Kristalleşmiş türleri arasında, ancak elmas ve grafit çok iyi tanımlanmıştır. Bunlar oldukça saf Karbondan oluşur. Biçimsiz (amorf) Karbon, doğal ya da yapay kömürlerde, çeşitli maddelerle karışmış ya da bileşik olarak bulunur.

KARBON İÇERMEYEN CANLI YOKTUR

Karbon bileşiklerinin sayısı son derece fazladır. Bir milyonun üstünde Karbon bileşiği bilinmektedir. Bunlardan Karbondioksit, havada % 0,03 ve çözünmüş olarak da suda bulunur. Karbonatlar, toprakta oldukça yaygındır. Karbonun, hidrojen, oksijen ve azotla oluşturduğu bileşikler, bitkisel ve hayvansal organizmaların yapısında önemli bir yer tutar.

Karbon içermeyen bir canlı yoktur. Bundan dolayı, bileşim yoluyla elde edilmeleri mümkün olsa bile, Karbon bileşiklerinin incelenmesine "Organik Kimya" adı verilmiştir. Doğal kömürler, eski jeolojik dönemlerde, toprak altına gömülmüş bitkisel maddelerin bozunması sonucu oluşan; Karbonlaşmış, karmaşık maddelerdir. Bu maddeler; antrasit, taşkömürü ve linyitlerdir.

Yapay kömürler, organik maddelerin, havasız ortamda ısı etkisiyle bozunması sonucu elde edilir. Bunlar; kok, asetilen siyahı, karbon siyahı, odun kömürü ve hayvan kömürüdür.

DOĞADA BULUNUŞU

Bulunduğu yerler: Doğada yaygın bir biçimde bulunur. Güneş'te, yıldızlarda, kuyruklu yıldızlarda ve birçok gezegenin atmosferinde bolca bulunur. Mars'ın atmosferi %96 oranında CO2 içerir. Karbon, doğada allotropik olarak 3 serbest halde bulunur: Şekilsiz, Grafit ve Elmas. Grafit doğada bilinen en yumuşak materyaldir. Buna karşılık elmas, çok serttir. Karbon, bazı meteorlarda, mikroskobik elmaslar halinde bulunmuştur. Yakın zamanlarda, Karbonun yeni bir formu olan C 60 keşfedildi.   

Karbondioksit halindeki Karbon, yer atmosferinin yaklaşık % 0,03 ünü oluşturur ve tüm doğal sularda çözünmüş halde bulunur. Yerkabuğunda ise mermer, kireç taşı ve tebeşir gibi kayaçlarda karbonatlar olarak; kömür, petrol ve doğal gaz gibi oluşumlarda ise hidrokarbonlar halinde bulunur.

KARBON  KAYNAKLARI

Karbon, hava, toprak ve su arasında dolaşır:
1) Gaz halindeki karbon, Karbondioksit olarak atmosferde ve sularda erimiş haldedir.
2) Su içeriğinde bulunan karbon, mercan resifleri ve suda yaşayan canlıların iç veya midye gibi kabuklu canlıların dış iskeletlerinde depo edilir.
3) Karadaki karbon, kireçtaşları, dolamitler gibi kayalar ve kalkerli kabuklar, turba toprakları(kutuplarda ve yakın çevresindeki donmuş topraklar), petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil yakıtlarda bulunur.
4) Canlı organizmaların kimyasal yapısının vazgeçilmez bir bileşeni olduğundan, canlılar, bir karbon deposu durumundadır.

FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ  

Karbon atomları, elmasta, birbirlerinden eşit aralıkta ve dörtyüzlü olarak dizilir. Bu yapı, kristale büyük bir sertlik kazandırır. Grafitte ise atomlar, düzgün altıgen kafesler oluşturarak üst üste katmanlar biçiminde dizilir. Ve birbiri üzerinde kolayca kayan atom katmanlarından oluşur. Grafit, sıcaklığın yükseltilmesiyle, mekanik özelliklerinin geliştiği bilinen tek maddedir. Karbon, ısı ve elektriği oldukça iyi iletir. Bu nedenle, elektrot yapımında kullanılır.

Fulleren( C 60) atomları, kristal yapılarda görülen özelliklere sahiptir. Bazı tortul kayaçlarda bulunur.
Fulleren'in, Grafit'e benzeyen bağ kararlılığı sebebiyle, reaktif bir madde değildir ve birçok çözücüde çözünmez.

Hayvan kömürü, renk giderici bir maddedir. Odun kömürü, belli koşullarda elde edildiğinde, yüzde tutucu önemli özellikler içerir. Öte yandan karbondan, karma malzemelerin yapısına katılan ve mekanik dayanımı son derece yüksek Karbon elyafının yapıldığı biliniyor. Ayrıca Karbon, bilinen hiçbir çözücüde çözünmez; yalnızca erime durumundaki kimi metallerde ve özellikle Demir'de çözünür.

KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Karbon, çeşitli tepkimelere girmesi nedeniyle kimyasal bakımdan önemli bir elementtir. Duruma göre elektronegatif ya da elektropozitiftir. Her iki durumda da genellikle 4 değerlidir. Doymuş organik bileşiklerin formülleri yazılırken, Karbon atomunun, genellikle düzgün bir dörtyüzlünün merkezinde bulunduğu kabul edilir. 

Karbonun tepkimesi, düşük sıcaklıklarda çok azdır. Yükseltgenmesi zordur. Asit ve bazlarla tepkimeye girmez. Yüksek sıcaklıklarda ise kükürt buharı ile birleşerek karbon sülfürü, silisyum ve bazı metallerle birleşerek karbürleri, oksijenle birleşerek; Karbonmonoksit (CO) ve Karbondioksiti (CO2) oluşturur. Karbon, yüksek sıcaklıklarda metallerle bileşik yapmış olan oksijenle kolayca birleşir. Bu nedenle, metalürji işlemlerinde, demir ve çinko oksit gibi metal oksit cevherlerinin indirgenmesinde, çok miktarda Kok kömürü kullanılır.

Karbon atomu, 6 elektronu ile periyodik tabloda 4. grup elementlerinin ilk elemanıdır. Karbon atomları, kendi aralarında, bağlanmaya karışan elektronların sayısına göre; sp3, sp2 ve sp1 gösterimleriyle ifade edilen üç farklı bağlanma (etkileşme) gösterirler. Bu gösterimler aynı zamanda bağlanma geometrisini de temsil eder.

Karbon elementi, her üç bağlanma geometrisine sahip tek element olması bakımından istisnai bir özelliğe sahiptir. Karbon atomlarından oluşan malzemeler, Karbon atomlarının, kendi aralarındaki bağlanma (etkileşim) geometrisine göre, çok farklı fiziksel ve kimyasal özellikler gösterirler. Karbon atomunun bu özelliği ise, 6 adet elektronu olmasından kaynaklanıyor.

 

 

Grafit'te Atomların Bağlanışı

  

Elmas'ta Atomların Bağlanışı

  

Karbon Atomlarının Başka Bir Bağlanışı: Fulleren

 

KARBON ALLOTROPLARI 

Aynı maddenin, değişik kristal biçimlerine, allotrop denir. Anlamı değişik biçim(form)demektir.

Grafit'te, Karbon atomları, hegzagonal halkalar şeklindedir. Tabakalı bir yapı oluşturur. Her Karbon atomu, diğer 3 Karbon atomuna, sp2 hibritleşmesi yaparak, sigma bağları ile bağlanır.

Elmas'ta Karbon atomları, sp3 hibritleşmesi yaparak tetrahedral bir düzendedir. Elmasta, Karbon atomları arasındaki bağlar, çok kuvvetlidir. Bu nedenle de çok sert ve kararlı bir yapıya sahiptir. Mavi elmas (yarı iletken) hariç, elektriği iletmezler. Moleküller arasındaki kuvvetli bağlar sebebiyle, ısı iletkenliği çok iyidir. 

Fulleren, genellikle 6 karbon atomunun düzlemsel olarak birbiri ile bağlanarak oluşturduğu içi boş küresel, silindirik ve halkasal yapıdadır. 5'li veya 7'li halkalar şeklinde birleştiği zaman yapı düzlemsellikten uzaklaşır. En küçük boyutu, 60 Karbonludur ve yapısı futbol topuna benzemektedir.

ORGANİK KİMYA

Karbon bileşiklerini inceleyen bilim dalına, Organik Kimya denir .Bir milyonun üstünde karbon bileşiği bilinmektedir. Bu sayı, öteki bütün elementlerin oluşturduğu bileşiklerin toplamından daha büyüktür. Aşağıdaki bölümlerden meydana gelir:

1) Hidrokarbonlar
2) Alkoller ve Eterler
3) Aldehitler ve Ketonlar
4) Karboksilli Asitler
5) Esterler
6) Karbonhidratlar
7) Alifatik Amonyak Türevleri
8) Aromatik Bileşikler

HİDROKARBONLAR VE PETROL

Hidrokarbonlar, en basit hidrokarbon, bataklık gazı da denilen metan gazıdır. Bu maddenin temel yapısı, ortadaki bir Karbon atomunu çevreleyen dört hidrojen atomundan oluşur. Dünyanın 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 sözcüğü, Latince'de taş anlamına gelen petra ile yağ anlamına gelen oleum sözcüklerinden oluşmuştur.

Petrol, halk arasında, yalnız belirli bir yakıt; Benzin, Gazyağı, Dizel- Motorin, Motor yağı, Fuel oil olarak bilinmesine rağmen, aslında petrol kelimesi doğal halde bulunan ve yeraltından çıkarılan işlenmemiş ham petrol anlamına gelmektedir.

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.

 

 

Oktan: Petrolde bulunan bir Hidrokarbondur. Çizgiler, kovalent bağ, siyah küreler, Karbon ve beyaz küreler, hidrojendir.

 

Yüz milyonlarca yıl önce, denizlerde yaşayan ya da suların denizlere sürüklediği hayvan ve bitki kalıntıları, anaeorabik bir ortamda, gerekli şartlar altında (ısı basınç ve mikroorganizmaların etkisiyle), ham petrole benzer kerojeni meydana getirmiştir. Kerojen, sonradan, yukarı tabakalara doğru göç etmesi esnasında gittikçe değişmiş ve ham petrolü meydana getirmiştir. Bu yüzden de hiçbir sahanın ham petrolü, tam olarak öteki bir sahanın ham petrolüne uymaz. Muhakkak az çok farklar bulunur. Hatta bu durum, aynı petrol sahasında bile, çoğu zaman görülür.

KARBONUN KULLANIM ALANLARI

Karbonun kullanım alanları, o kadar geniştir ki, hemen hemen her yerde, Karbon yada Karbon bileşikleri olarak karşımıza çıkar. Saf karbon olan elmas, son derece değerli bir taştır ve mücevher yapımında kullanılır. Ayrıca çok sert ve dayanıklı olduğundan; kesme, öğütme ve delme işlemlerinde, aşındırıcı olarak uygulanır. Grafit ise yağlayıcılarda, boyalarda ve kille karıştırılarak; ' kalem kurşunları'nda kullanılır. Ayrıca elektriksel iletkenliği ve erime sıcaklığı çok yüksek olduğundan, elektrikli fırın ve kuru pil ektrotları ile metal ergitme potalarının yapımında kullanılır. Kömür ve Kok, son derece yaygın kullanılan bir yakıt türüdür. Odun kömürü ise soğurma ve süzme maddesi ve yakıt olarak kullanılır. Ayrıca barut üretiminde de hammadde olarak kullanılır.

Karbon karası ise, mürekkep, karbon kâğıdı, daktilo şeridi ve boya üretiminde kullanılır. Otomobil lastiklerinin dayanıklılığını artırmak amacıyla kauçuğa katılır. Çelik üretiminde kullanılır. Bunların dışında, dezenfektan, ilaç , anestezik, parfüm ve plastik gibi pek çok yararlı madde, başka elementlerin de katılmasıyla, büyük Karbon yapılarının elde edilmesi yoluyla üretilir. Kemik kömürü, pek çok maddenin renk verici bileşenlerini ve gazları tutabilir. Bu nedenle de ham şekerin renginin giderilmesinde kullanılır.

Ayrıca petrol ve petrol ürünlerinin kullanım alanları da oldukça geniştir. Tekstil hammaddesinden uzay aracı yakıtına kadar. Ve yine Karbondan, karma malzemelerin yapısına katılan ve mekanik dayanımı son derece yüksek olan Karbon elyafının yapıldığı biliniyor.

Karbondioksit ise, soğutucularda, yangın söndürücülerde, can yelekleri ve sallarının şişirilmesinde, kömürün parçalanmasında, kauçuk ve plastiklerin köpüklendirilmesinde, seralardaki bitkilerin büyümelerinin hızlandırılmasında ve karbonatlı içeceklerde kullanılır.

Karbondioksit, magnezyum dışında, pek çok maddenin yanmasını engeller. Bu nedenle yangın söndürücüler olarakta kullanılır. Besin kaynağımız olarak kullandığımız yeşil bitkiler, Karbondioksiti ve suyu, karbonhidratlara ve oksijene dönüştürürler. Böylece, ihtiyacımız olan oksijeni ve besinleri elde etmiş oluruz.

Organizma öldüğü zaman, çevreyle karbon alışverişi durur. Geriye kalan radyoaktif karbon-14 izotopu miktarı, biyolojik kökenli maddelerin yaşını belirlemekte kullanılabilir. Kalkınmış ülkelerin ekonomilerinin büyük bir bölümü, Karbon içeren yakıtların, plastiklerin, kimyasal maddelerin, dokumaların ve ilaçların işlenmesine ve üretimine dayanır. Karbon temelli sentetik bileşiklerin üretilmesi ve kullanılması, birçok ülkede yaşama düzeyini derinlemesine etkilemiştir.

Ayrıca Nanoteknoloji çağının başlamasında en önemli rolü oynayan Karbon, nanoyapılarda; nanomakinelerin, nanorobotların vazgeçilmez elemanıdır. Karbon nanoyapılar, bu tür nanosistemlerin yapılmasında, rakipsiz bir yere sahiptir.

  

Burada, küresel karbon döngüsündeki yollar, havuzlar ve akışlar gösterilmiştir. Gerçek sayılar, yapılan tahminlerden çok az da olsa farklıdır ve sadece havuzlar ve akışların seviyesi ile ilgili tahmini bir göstergedir.

 

KARBONUN ÖNEMİ  

Yerkabuğu'ndan, bitki örtüsüne ve denizlerden atmosfere kadar, her yerde Karbon yada bileşiklerini görmek mümkündür. Ayrıca arabamızın lastiklerinden bilgisayarımıza, kullandığımız doğalgazdan, selüloza, yediğimiz etten, hücrelerimizin içindeki DNA'ya kadar, herşeyin temelini teşkil eden bir elementir. İngiliz kimyager Nevil Sidgwick, "Chemical Elements and Their Compounds(Kimyasal Elementler ve Bileşikleri)" adlı kitabında; Karbonun, canlılar için önemini şöyle ifade eder:

"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."

Ünlü kimyager David Burnie de, "Life" adlı kitabında; Karbon elementini şöyle nitelendirir:

"Karbon, çok olağan dışı bir elementtir. Karbon ve onun bu olağan dışı özellikleri olmasaydı, Dünya'da yaşam olmazdı."

"107 Kimya Öyküsü"nde ise Karbonun diğer elmentelere göre yetenekleri aşadaki şekilde anlatılır:

"Mendeleyev çizelgesi(periyodik cetvel)'inde eşsiz bir element vardır. Bilinen iki milyon farklı molekülden 1.700.000'i, Karbon atomlu iskelete sahip moleküllerdir. Bu bileşikler, Kimya'nın 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."

Besin kaynaklarımızın temeli, Karbona dayanmaktadır. Bitkilerin tamamı, fotosentez yoluyla Karbondioksiti alıp; bir taraftan besinlerini üreterek- büyüyüp gelişirken, diğer taraftan insanlara ve hayvanlara besin kaynağı olmaktadırlar.

KARBON DÖNGÜSÜ VE KÜRESEL ISINMA

Dünya'daki yaşamın devamını sağlayan Karbon döngüsüdür. Bu döngü, bir denge içerisinde 'devri-daim' eder. Dünyanın atmosferi'ne dışardan giren ısının, Atmosfer'den dışarı kaçan ısıdan daha az olmasını sağlar. Yani bir Karbon bileşiği olan Karbondioksit, Dünya'nın çevresinde, bir ısı kalkanı görevi yapar. Buna, sera etkisi denir. Atmosfer'deki Karbondioksit oranı artarsa, bugün olduğu gibi küresel ısnma ortaya çıkar. Diğer yandan, Atmosfer'deki Karbondioksit oranı azalacak olursa, Dünya'nın sıcaklığı azalır ve kutuplardaki buzullar yayılmaya başlar ve buzul çağı ortaya çıkar.

Bugün Karbondioksit oranı, o derece artmıştır ki; ısı dengesi bozulmuş ve tehlike çanları çalmaya başlamıştır. Dengeyi bozacak şekilde sera etkisi artarak; ısı, Yer atmosferinde hapsedilmiştir. Arkasından da döngü bozulmuş; buzulların erimesi ve daha başka faktörlerin devreye girmesiyle, "kontrolsüz bir küresel ısınma" ortaya çıkmıştır. Bu hassas dengeleri yokeden insanoğlu; üç günlük dünya menfaati ve hırsıyla; kendi bindiği dalı keserek, geleceğini tehlikeye atmaktadır.

"İnsanların elleriyle kazandıkları(yaptıkları) dolayısıyla, karada ve denizde fesat(büyük olaylar) ortaya çıkacak. O bazı yaptıkları(şeylerin) karşılığını tatmaları için! Umulur ki dönerler!"

[RUM(30)/41]

(*): Aynı maddenin, değişik kristal biçimleri.

Aysel Kargıoğlu

Kaynaklar:
1) Kur'an-ı Kerim
2) L. Vlasov, D. Trifonov, 107 Kimya Öyküsü, çev. Nihal Sarıer, TÜBİTAK Yy., Ankara, 2005.
3) Nevil V.Sidgwick, The Chemical Elements and Their Compounds, Oxford University Press, 1950.
4) David Burnie, Eyewitness Science: Life, London, 1996.
5) Bilim ve Teknik, Eylül 1992.
6) National Geographic, Şubat 2004.
7) Büyük Larousse, C.12.
8) AnaBritannica, C.18.
9) Gelişim Gençlik Ansiklopedisi, C.5.
10) Vikipedi
11) The University of Sheffield (webelements.com)

www.yaklasansaat.com

Yorum Yaz