Doğada Karbon video 12. sınıf Hocalara Geldik

Karbon Elementinin Özellikleri

Atom numarası 6 olan ve periyodik tablonun 4A grubunda bulunan karbon elementinin 4 tane değerlik elektronu vardır. Karbon elementi değerlik elektronlarını aynı ya da farklı atomlarla ortaklaşa kullanarak 4 tane kovalent bağ yapar. Bu bağlar tekli olabileceği gibi ikili ya da üçlü olabilir. Karbonun oluşturabileceği bağ şekilleri aşağıda gösterilmiştir.

Karbon atomları arasında bağlar oluşurken açığa çıkan enerji fazla olduğundan oluşan bu bağlar diğer atomların kendi aralarında yaptıkları bağlara göre daha kararlıdır. Karbon elementi diğer atom veya atom gruplarıyla çok sayıda bağ yapabilir. Karbon atomu düz ve dallanmış zincirli, halkalı, aromatik yapıya sahip çok sayıda bileşik oluşturur.

Karbonun Allotropları

Aynı tür atomların farklı sayı ve dizilişte bir araya gelmesiyle oluşan maddelere allotrop denir. Aynı tür atomdan oluşmalarına rağmen allotrop maddelerin fiziksel ve bazı kimyasal özellikleri birbirinden farklıdır. Canlılığın temel yapı taşlarından biri olan karbonun elmas ve grafit gibi doğal, fulleren ve grafen gibi laboratuvar ortamında oluşturulmuş yapay allotropları vardır (Şekil 2.1). Bu yapay allotroplar karbon atomlarının farklı şekillerde dizilmesi temelinde oluşturulmaktadır. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte bu allotroplardan karbon nanotüp gibi yeni maddeler üretilmektedir. Günümüzde karbon allotropları ve bunlardan üretilen yeni maddeler farklı alanlarda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Elmas: Karbonun düzgün kristal yapıya sahip olan bu allotropu tarih boyunca insanoğlunun zenginliğinin ve gösterişinin simgesi olmuştur (Görsel 2.3). Günümüzde elmasın yeni kullanım alanları da ortaya çıkmaktadır.

Elmas bilinen en sert doğal maddelerden biri olduğundan cam kesici, delici (matkap uçları) ve taş yontucu aletlerde kullanılır (Görsel 2.4). Elmasın bu kadar sert yapıda olmasının nedeni yapısındaki karbon atomlarının bağlanma şeklidir. Elmastaki her bir karbon atomu, çevresindeki diğer dört karbon atomu ile bağ oluşturur. Düzgün dörtyüzlü geometriye sahip kristal yapı oluşturan bu bağlar çok kuvvetlidir (Şekil 2.2). Bağların bu yapısından dolayı elmas elektriği iletmez ancak ısıyı iletir.

Grafit: Karbonun bir başka allotropu olan grafit; siyah renge, parlak görünüme ve yumuşak bir yapıya sahiptir. Grafitte, karbon atomları altıgen halkalar oluşturacak şekilde dizilmiştir. Bu altıgen halkalar tabakalar hâlindedir. Tabakalar arasında zayıf bağlar bulunur (Şekil 2.3). Grafit, yapısında bulunan pi bağlarındaki elektronların hareketinden dolayı ısı ve elektriği iletir. Elektriği iletmesi ve erime noktasının yüksek olması grafitin kullanım alanını genişleten özelliklerinin başlıcalarıdır. Grafitin erime sıcaklığının (3500-3527 °C) çok yüksek olması onun ısıya karşı dayanaklı olmasını sağlar. Bu özelliğinden dolayı metalürjide döküm potalarının yapımında kullanılır (Görsel 2.5). Grafit; kurşun kalem uçlarının yapımında, kuru pil üretiminde, makine parçalarının üzerine yapışabilme özelliğinden dolayı yağlama malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Fulleren: Belirli sayıda karbon atomunun bir araya getirilmesiyle oluşturulan fulleren; top, tüp, çubuk ve halka şeklinde sınıflandırılabilen yapay bir allotroptur (Görsel 2.6). Yapı olarak grafite benzemekle birlikte tabakaları grafitinki gibi değildir. Karbon atomları fullerenin tabakalarında beşgen, altıgen veya yedigen halkalar olarak dizilebilir. Bu halkaların ana düzlemlerinin kıvrılması ile küresel yapılar oluşturulabilir. Son yıllarda gerçekleştirilen çeşitli sentezler ile fulleren bileşiklerinin sayısı artmıştır. Fulleren; güneş pillerinde, hidrojen yakıt depolarında, kurşungeçirmez yeleklerde (Görsel 2.7) kullanılır.

Grafen: Sadece karbon atomlarından oluşan sistemler arasında karbon atomunun iki boyutlu allotropu olan grafen, diğer allotropların elektronik özelliklerinin anlaşılabilmesi açısından son derece önemli bir yere sahiptir (Görsel 2.8). Grafen, karbon atomlarının altıgenlerden oluşan bal peteği örgü yapısında sıralanmasından elde edilen iki boyutlu düzlemsel yapıların çok nadir örneklerinden birisidir. Bu yapı, grafene olağanüstü özellikler kazandırmaktadır. Saydam olan grafen tabakası elektriği ve ısıyı çok hızlı bir şekilde iletebilir. Grafenin yapısı çelikten 6 kat hafif, yoğunluğu çelikten 6 kat daha düşüktür. Çelikten 6 kat daha sert ama 13 kat daha fazla esneme yeteneğine sahiptir. Bu özellikler grafenin gelecekte süper küçük bilgisayar üretiminden katlanabilir tabletlere, kirlenmeyen kıyafetlerden deri altına yerleştirilebilecek tıbbi cihazlara kadar birçok alanda kullanılabileceğini göstermektedir. Grafenin muhtemel başka bir kullanım alanı da pillere alternatif olacağı düşünülen süperkapasitörlerdir. Süperkapasitörler, normal kondansatörlerden çok daha fazla yük depolayarak elektronik cihazlardaki pil sorununu yakın bir gelecekte çözebilir. Bataryaların hızlı şarj edilmesi, radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi, güçlü ve daha sağlam aletler, elektronik kâğıtlar, su geçirmeyen kıyafetler, daha sağlam ve hafif uçaklar, koruma ekipmanları grafenin diğer kullanım alanlarıdır (Görsel 2.9).