KARBON: SIFAT, STRUKTUR, PEROLEHAN, PENGGUNAAN - KIMIA - 2025

The karbon adalah non - unsur kimia logam yang simbol kimia C. dinamai batubara, sayur atau mineral, di mana atom yang menentukan berbagai struktur. Banyak penulis mengkualifikasinya sebagai Raja unsur, karena ia membentuk berbagai senyawa organik dan anorganik, dan juga terjadi dalam sejumlah besar alotrop.

Dan jika ini tidak cukup untuk menyebutnya sebagai elemen khusus, ini ditemukan di semua makhluk hidup; semua biomolekulnya berutang pada stabilitas dan kekuatan ikatan CC dan kecenderungan tinggi untuk bergabung. Karbon adalah elemen kehidupan, dan dengan atomnya, tubuh mereka dibangun.

Kayu pohon sebagian besar terdiri dari karbohidrat, salah satu dari banyak senyawa yang kaya karbon. Sumber: Pexels.

Senyawa organik yang digunakan untuk membangun biomaterial terdiri dari kerangka karbon dan heteroatom. Ini bisa dilihat dengan mata telanjang di hutan pepohonan; dan juga, saat petir menyambar dan memanggangnya. Padatan hitam lembam yang tersisa juga memiliki karbon; tapi itu arang.

Jadi, ada manifestasi "mati" dari elemen ini: arang, produk pembakaran di lingkungan yang miskin oksigen; dan batubara mineral, produk dari proses geologi. Kedua benda padat itu tampak serupa, berwarna hitam, dan terbakar untuk menghasilkan panas dan energi; meski dengan hasil yang berbeda.

Sejak saat itu, karbon adalah unsur paling melimpah ke-15 di kerak bumi. Tak heran bila jutaan ton batubara diproduksi setiap tahunnya. Mineral-mineral ini berbeda sifatnya tergantung pada tingkat pengotor, menempatkan antrasit sebagai mineral batubara kualitas tertinggi.

Kerak bumi tidak hanya kaya akan mineral batubara, tetapi juga karbonat, terutama batu kapur dan dolomit. Dan mengenai Alam Semesta, ini adalah unsur paling melimpah keempat; Maksud saya, ada lebih banyak karbon di luar sana di planet lain.

Sejarah karbon

Mengingat kembali

Karbon mungkin setua kerak bumi itu sendiri. Sejak dahulu kala, peradaban kuno telah menemukan elemen ini dalam banyak presentasi alaminya: jelaga, arang, arang, arang, berlian, grafit, tar batubara, antrasit, dll.

Semua padatan itu, meskipun memiliki nada gelap (kecuali berlian), sifat fisik lainnya, serta komposisinya, sangat berbeda. Saat itu tidak mungkin untuk mengklaim bahwa mereka pada dasarnya terdiri dari atom karbon.

Dengan demikian sepanjang sejarah, batubara diklasifikasikan menurut kualitasnya pada saat dibakar dan dipanaskan. Dan dengan gas yang terbentuk dari pembakarannya, massa air dipanaskan, yang pada gilirannya menghasilkan uap yang menggerakkan turbin yang menghasilkan arus listrik.

Karbon dengan cara yang tidak terduga hadir dalam arang yang dihasilkan dari pembakaran pohon di ruang tertutup atau kedap udara; pada grafit yang digunakan untuk membuat pensil; dalam berlian yang digunakan sebagai permata; dia bertanggung jawab atas kekerasan baja.

Sejarahnya berjalan seiring dengan kayu, bubuk mesiu, gas penerangan kota, kereta api dan kapal, bir, pelumas, dan benda penting lainnya untuk kemajuan umat manusia.

Pengakuan

Pada titik manakah para ilmuwan dapat menghubungkan alotrop dan mineral karbon dengan unsur yang sama? Batubara dipandang sebagai mineral, dan tidak dianggap sebagai unsur kimia yang layak untuk tabel periodik. Langkah pertama seharusnya menunjukkan bahwa semua padatan ini diubah menjadi gas yang sama: karbon dioksida, CO ₂ .

Antoine Lavoisier pada tahun 1772, menggunakan bingkai kayu dengan lensa besar, memfokuskan sinar matahari pada sampel arang dan berlian. Dia menemukan bahwa tidak satupun dari mereka membentuk uap air kecuali CO ₂ . Dia melakukan hal yang sama dengan jelaga dan mendapatkan hasil yang sama.

Carl Wilhelm Scheele pada tahun 1779, menemukan hubungan kimia antara arang dan grafit; artinya, kedua zat padat itu terdiri dari atom yang sama.

Smithson Tennant dan William Hyde Wollaston pada tahun 1797 secara metodologis memverifikasi (melalui reaksi) bahwa intan sebenarnya terdiri dari karbon saat memproduksi CO ₂ dalam pembakarannya.

Dengan hasil ini, cahaya segera ditumpahkan pada grafit dan intan, padatan yang dibentuk oleh karbon, dan karenanya memiliki kemurnian tinggi; tidak seperti padatan tidak murni dari batu bara dan mineral berkarbon lainnya.

Properti

Sifat fisik atau kimiawi yang ditemukan pada padatan, mineral, atau bahan berkarbon dipengaruhi oleh banyak variabel. Diantaranya adalah: komposisi atau derajat pengotor, hibridisasi atom karbon, keragaman struktur, dan morfologi atau ukuran pori-pori.

Saat menjelaskan sifat karbon, sebagian besar teks atau sumber bibliografi didasarkan pada grafit dan intan.

Mengapa? Karena mereka adalah alotrop paling terkenal untuk elemen ini dan mewakili padatan atau bahan dengan kemurnian tinggi; Artinya, atom-atom tersebut secara praktis terbuat dari tidak lebih dari atom karbon (walaupun dengan struktur yang berbeda, seperti yang akan dijelaskan di bagian selanjutnya).

Sifat arang dan batubara mineral masing-masing berbeda dalam asal atau komposisinya. Misalnya, lignit (karbon rendah) merangkak sebagai bahan bakar dibandingkan antrasit (karbon tinggi). Dan bagaimana dengan alotrop lainnya: nanotube, fullerene, graphene, graffins, dll.

Namun, secara kimiawi mereka memiliki satu kesamaan: mereka teroksidasi dengan oksigen berlebih dalam CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Sekarang, kecepatan atau suhu yang mereka butuhkan untuk mengoksidasi spesifik untuk masing-masing alotrop ini.

Grafit vs berlian

Komentar singkat juga akan dibuat di sini mengenai sifat yang sangat berbeda untuk kedua alotrop ini:

Tabel di mana beberapa sifat dari dua alotrop kristal karbon dibandingkan. Sumber: Gabriel Bolívar.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Hibridisasi

Hubungan antara orbital hibrid dan kemungkinan struktur karbon. Sumber: Gabriel Bolívar.

Konfigurasi elektron untuk atom karbon adalah 1s ² 2s ² 2p ² , juga ditulis sebagai 2s ² 2p ² (gambar atas). Representasi ini sesuai dengan keadaan dasarnya: atom karbon diisolasi dan tersuspensi dalam ruang hampa sehingga tidak dapat berinteraksi dengan orang lain.

Terlihat bahwa salah satu orbital 2p-nya kekurangan elektron, yang menerima elektron dari orbital 2s berenergi rendah melalui promosi elektronik; dan dengan demikian, atom memperoleh kemampuan untuk membentuk hingga empat ikatan kovalen melalui empat orbital hibrid sp ³ .

Perhatikan bahwa keempat orbital sp ³ adalah energi yang merosot (sejajar pada tingkat yang sama). Orbital p murni lebih energik, itulah sebabnya orbital ini ditempatkan di atas orbital hibrid lainnya (di sebelah kanan gambar).

Jika terdapat tiga orbital hibrid, itu karena satu orbital p yang tidak terhibridisasi tetap ada; oleh karena itu, mereka adalah tiga orbital sp ² . Dan bila ada dua orbital hibrid ini, dua orbital p tersedia untuk membentuk ikatan rangkap atau rangkap tiga, menjadi hibridisasi karbon sp.

Aspek elektronik seperti itu penting untuk memahami mengapa karbon dapat ditemukan dalam tak terhingga alotrop.

Bilangan oksidasi

Sebelum melanjutkan dengan struktur, perlu disebutkan bahwa, dengan konfigurasi elektron valensi 2s ² 2p ² , karbon dapat memiliki bilangan oksidasi sebagai berikut: +4, +2, 0, -2 dan -4.

Mengapa? Angka-angka ini sesuai dengan asumsi bahwa ada ikatan ionik sehingga Anda membentuk ion dengan muatannya masing-masing; yaitu, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (netral), C ^2- dan C ^4- .

Agar karbon memiliki bilangan oksidasi positif, ia harus kehilangan elektron; Dan untuk melakukannya, ia harus terikat pada atom yang sangat elektronegatif (seperti oksigen).

Sementara itu, agar karbon memiliki bilangan oksidasi negatif, ia harus memperoleh elektron dengan cara berikatan dengan atom logam atau kurang elektronegatif dari itu (seperti hidrogen).

Bilangan oksidasi pertama, +4, berarti karbon telah kehilangan semua elektron valensinya; orbital 2s dan 2p tetap kosong. Jika orbital 2p kehilangan dua elektronnya, karbon akan memiliki bilangan oksidasi +2; jika Anda mendapatkan dua elektron, Anda akan mendapatkan -2; dan jika Anda mendapatkan dua elektron lagi dengan menyelesaikan oktet valensi Anda, -4.

Contoh

Misalnya, untuk CO ₂ bilangan oksidasi karbon adalah +4 (karena oksigen lebih elektronegatif); sedangkan untuk CH ₄ adalah -4 (karena hidrogen kurang elektronegatif).

Untuk CH ₃ OH, bilangan oksidasi karbon adalah -2 (+1 untuk H dan -2 untuk O); sedangkan untuk HCOOH adalah +2 (pastikan jumlahnya 0).

Bilangan oksidasi lain, seperti -3 dan +3, juga mungkin terjadi, terutama jika menyangkut molekul organik; misalnya, dalam kelompok metil, -CH ₃ .

Geometri molekuler

Gambar atas tidak hanya menunjukkan hibridisasi orbital untuk atom karbon, tetapi juga geometri molekul yang dihasilkan ketika beberapa atom (bola hitam) dihubungkan ke satu pusat. Atom pusat ini untuk memiliki lingkungan geometris tertentu di ruang angkasa, harus memiliki hibridisasi kimiawi masing-masing yang memungkinkannya.

Misalnya, untuk tetrahedron karbon pusat memiliki hibridisasi sp ³ ; karena ini adalah pengaturan yang paling stabil untuk keempat orbital hibrid sp ³ . Dalam kasus karbon sp ² , mereka dapat membentuk ikatan rangkap dan memiliki lingkungan bidang trigonal; dan segitiga ini mendefinisikan segi enam yang sempurna. Dan untuk hibridisasi sp, karbon mengadopsi geometri linier.

Jadi, geometri yang diamati dalam struktur semua alotrop diatur secara sederhana oleh tetrahedra (sp ³ ), segi enam atau segi lima (sp ² ), dan garis (sp).

Tetrahedra mendefinisikan struktur 3D, sedangkan segi enam, segi lima dan garis, struktur 3D atau 2D; Yang terakhir adalah bidang atau lembaran yang mirip dengan dinding sarang madu:

Dinding dengan desain sarang lebah heksagonal dianalogikan dengan bidang yang terdiri dari karbon sp2. Sumber: Pixabay.

Dan jika kita melipat dinding heksagonal ini (pentagonal atau campuran), kita akan mendapatkan tabung (tabungnano) atau bola (fullerene), atau gambar lainnya. Interaksi antara tokoh-tokoh ini menimbulkan morfologi yang berbeda.

Padatan amorf atau kristal

Mengesampingkan geometri, hibridisasi, atau morfologi dari kemungkinan struktur karbon, padatannya secara global dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: amorf atau kristal. Dan di antara kedua klasifikasi ini, alotropnya didistribusikan.

Karbon amorf hanyalah salah satu yang menyajikan campuran sembarang tetrahedra, segi enam atau garis, tidak dapat membentuk pola struktural; seperti batu bara, arang atau arang aktif, kokas, jelaga, dll.

Sedangkan karbon kristal terdiri dari pola struktur yang terdiri dari salah satu geometri yang diusulkan; misalnya, berlian (jaringan tiga dimensi tetrahedra) dan grafit (tumpukan lembaran heksagonal).

Memperoleh

Karbon bisa murni seperti grafit atau berlian. Ini ditemukan di deposit mineralogi masing-masing, tersebar di seluruh dunia dan di berbagai negara. Itulah mengapa beberapa negara lebih mengekspor salah satu mineral ini daripada yang lain. Singkatnya, "Anda harus menggali bumi" untuk mendapatkan karbon.

Hal yang sama berlaku untuk mineral batubara dan jenisnya. Namun tidak demikian halnya dengan arang, karena benda yang kaya karbon harus terlebih dahulu "binasa", entah di bawah api, atau disambar petir; tentu saja, jika tidak ada oksigen, jika tidak, CO ₂ akan dilepaskan .

Seluruh hutan merupakan sumber karbon seperti arang; tidak hanya untuk pepohonannya, tetapi juga untuk faunanya.

Secara umum, sampel yang mengandung karbon harus menjalani pirolisis (terbakar tanpa adanya oksigen) untuk melepaskan sebagian kotoran sebagai gas; dan dengan demikian, padatan kaya karbon (amorf atau kristal) tetap sebagai residu.

Aplikasi

Sekali lagi, seperti sifat dan struktur, penggunaan atau aplikasinya konsisten dengan alotrop atau bentuk mineralogi karbon. Namun, ada beberapa hal umum yang dapat disebutkan, selain beberapa poin yang terkenal. Seperti:

-Carbon telah lama digunakan sebagai zat pereduksi mineral dalam memperoleh logam murni; misalnya besi, silikon dan fosfor, antara lain.

-Ini adalah landasan kehidupan, dan kimia organik serta biokimia adalah studi tentang refleksi ini.

-Ini juga merupakan bahan bakar fosil yang memungkinkan mesin pertama menyalakan roda gigi mereka. Dengan cara yang sama, gas karbon untuk sistem penerangan lama diperoleh darinya. Batubara identik dengan cahaya, panas dan energi.

-Campur sebagai aditif dengan besi dalam proporsi yang berbeda memungkinkan penemuan dan peningkatan baja.

Warna hitamnya terjadi dalam seni, terutama grafit dan semua tulisan dibuat dengan garis-garisnya.

Risiko dan tindakan pencegahan

Karbon dan padatannya tidak menimbulkan risiko kesehatan. Siapa yang peduli dengan sekantong arang? Mereka dijual berbondong-bondong di gang di beberapa pasar, dan selama tidak ada api di dekatnya, balok hitam mereka tidak akan terbakar.

Coke, di sisi lain, dapat menimbulkan risiko jika kandungan sulfurnya tinggi. Saat terbakar, ia akan melepaskan gas belerang yang selain beracun, juga menyebabkan hujan asam. Dan meskipun CO ₂ dalam jumlah kecil tidak dapat mencekik kita, hal itu berdampak besar pada lingkungan sebagai gas rumah kaca.

Dari perspektif ini, karbon adalah bahaya "jangka panjang", karena pembakarannya mengubah iklim planet kita.

Dan dalam arti yang lebih fisik, material padat atau karbon jika dihancurkan mudah diangkut oleh arus udara; dan akibatnya, mereka dimasukkan langsung ke paru-paru, yang dapat merusaknya tanpa dapat diperbaiki.

Selebihnya, sangat umum mengonsumsi "arang" saat sebagian makanan sudah matang.

Referensi

1. Morrison, RT dan Boyd, R, N. (1987). Kimia organik. Edisi ke-5. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amina. (Edisi ke-10.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Karbon, Alotrop dan Strukturnya. Diperoleh dari: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Batu bara. Kimia Dijelaskan. Diperoleh dari: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 Juli 2018). 10 Fakta Karbon (Nomor Atom 6 atau C). Diperoleh dari: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Apa itu Karbon? - Fakta & Pelajaran Sejarah untuk Anak-Anak. Belajar. Diperoleh dari: study.com
8. Föll. (sf). Sejarah Karbon. Diperoleh dari: tf.uni-kiel.de