لماذا مركّبات الكربون أكثر من كل ما عداها؟
يُعرف أكثر من عشرة ملايين مركّب عضوي مقابل ما يزيد قليلًا على مئة ألف مركّب لاعضوي. ولهذا التفاوت تفسير محدد وقابل للقياس.
لرابطة كربون-كربون طاقة تفكك تبلغ نحو 346 كيلوجول/مول. وهذا يساوي عمليًّا رابطة كربون-هيدروجين، 413 كيلوجول/مول، أو كربون-أكسجين، 358. والنتيجة أن ذرة الكربون يستوي عندها الارتباط بكربون آخر والارتباط بأي شيء سواه.
وهذه الخاصة، المسماة التسلسل، تتيح بناء سلاسل وحلقات بطول اعتباطي دون أن تفقد البنية استقرارها. فجزيء بخمسين كربونًا ممكن كجزيء بكربونين.
أما السيليكون، الواقع تحته مباشرة في الجدول، فله أربعة إلكترونات تكافؤ كالكربون، لكن رابطته بنفسه لا تتجاوز 222 كيلوجول/مول، بينما تبلغ رابطة سيليكون-أكسجين 452. ومركّب السيليكون بوجود الأكسجين ينزع دائمًا إلى التحول إلى سيليكا. ولهذا كانت القشرة الأرضية سيليكاتية والحياة كربونية.
ويُضاف إلى التسلسل القدرة على تكوين روابط متعددة. فالكربون يقيم روابط ثنائية وثلاثية فعّالة لأن مداراته p متراصة وتتداخل جانبيًّا تداخلًا جيدًا. أما مدارات السيليكون، وهي أكثر انتشارًا، فلا تفلح.
ما متآصلات الكربون؟
صور مختلفة للعنصر نفسه، بخصائص متعاكسة.
الماس ترتبط فيه كل ذرة بأربع أخريات في ترتيب رباعي السطوح، بتهجين sp³، في شبكة ثلاثية الأبعاد متصلة. وكل إلكترونات التكافؤ مشغولة في روابط، فلا يوصل الكهرباء، وكسر البلورة يقتضي كسر روابط تساهمية: ومن هنا صلادته 10 على مقياس موس.
الغرافيت ترتبط فيه كل ذرة بثلاث في صفائح سداسية مستوية، بتهجين sp². ويبقى الإلكترون الرابع غير موضعي في نظام π يجوب الصفيحة، وهو ما يجعل الغرافيت موصلًا. ولا تُمسك الصفائح إلا بقوى تشتت وتنزلق بعضها فوق بعض، وهذا يفسّر كونه مزلقًا وتركه أثرًا على الورق.
والطريف أن الغرافيت هو الصورة المستقرة ترموديناميكيًّا عند الضغط والحرارة العاديين. فالماس شبه مستقر ويتحول ببطء إلى غرافيت، غير أن حاجز الطاقة عالٍ إلى حد يجعل العملية تستغرق مقاييس زمنية جيولوجية.
والفوليرينات، المكتشفة عام 1985، أقفاص مغلقة؛ وأشهرها C₆₀ بهندسة كرة القدم. والأنابيب النانوية صفائح غرافين ملفوفة. والغرافين صفيحة مفردة بسمك ذرة.
كيف يعمل التأريخ بالكربون 14؟
الكربون الطبيعي كله تقريبًا كربون 12، مع 1.1 % كربون 13. أما الكربون 14 فموجود بنسبة ضئيلة، من رتبة جزء في التريليون، وهو مشعّ.
ينتج باستمرار في الغلاف الجوي العلوي حين تصطدم النيوترونات المتولدة عن الأشعة الكونية بأنوية نيتروجين 14. ويتأكسد الكربون 14 الناتج إلى ثاني أكسيد كربون ويختلط بالباقي.
وما دام الكائن حيًّا يتبادل الكربون مع محيطه ويحافظ على النسبة الجوية. وعند الموت ينقطع التبادل. فيضمحل الكربون 14 بانبعاث بيتا ويعود نيتروجينًا 14 بعمر نصف يبلغ 5700 سنة.
وقياس ما تبقّى يعطي العمر. فبعد 5700 سنة يبقى النصف؛ وبعد 11400 يبقى الربع. وقرب الخمسين ألف سنة تختلط الإشارة بالضجيج الخلفي، وذلك هو الحد العملي للأسلوب.
طوّره ويلارد ليبي عام 1949 ونال جائزة نوبل عام 1960. ويقتضي الأسلوب تصحيحًا مهمًّا: فالنسبة الجوية لم تكن ثابتة، وتُعاير بحلقات نمو أشجار معلومة العمر.
⚠️ وقد ضاعفت التجارب النووية الجوية في الخمسينيات والستينيات كربون 14 في الغلاف الجوي. وتتيح تلك الذروة التأريخ بدقة سنة واحدة لمادة تكوّنت بعد 1955، وهي أداة في الطب الشرعي.
لماذا يحدد الكربون وحدة الكتل الذرية؟
باتفاق دولي، لذرة الكربون 12 اثنتا عشرة وحدة كتلة ذرية بالضبط. وهذا ليس قياسًا بل تعريفًا: فالوحدة أُرسيت انطلاقًا من ذلك النظير.
ويعود الاختيار إلى 1961 وقد حسم خلافًا. فالفيزيائيون كانوا يستعملون الأكسجين 16 مرجعًا؛ والكيميائيون يستعملون الأكسجين الطبيعي، وهو خليط من ثلاثة نظائر. وكان بين المقياسين فارق نحو 275 جزءًا في المليون، يكفي لإحداث لبس.
واقتُرح الكربون 12 حلًّا وسطًا. فهو وفير، وسهل التعامل في مطياف كتلة، واختياره يزيح المقياسين القديمين أقل ما يمكن.
على أن الكتلة الذرية المعيارية للكربون ليست 12 بالضبط، بل مجالًا من 12.0096 إلى 12.0116 وحدة. والسبب وجود الكربون 13، الذي تتباين نسبته بحسب المصدر: فالنباتات تميّز قليلًا ضد النظير الثقيل أثناء التمثيل الضوئي، وتفعل ذلك بطرق مختلفة بحسب مسارها الأيضي.
وتتيح هذه البصمة النظائرية تمييز سكر القصب من سكر الشمندر، أو كشف غش العسل.
أين يوجد كربون الأرض؟
قليل جدًّا منه في الغلاف الجوي، رغم الاهتمام الذي يناله.
أكبر مخزون بفارق كبير هو الصخور الكربوناتية: الحجر الجيري والدولوميت والرخام، وهي تبلغ عشرات ملايين الجيغاطن. وذلك الكربون آتٍ في معظمه من أصداف وهياكل كائنات بحرية تراكمت مئات ملايين السنين.
وتحوي المحيطات نحو 38 ألف جيغاطن كربون مذاب، أكثره أيون بيكربونات. ويبلغ الغلاف الحيوي البري والتربة نحو ألفين. والوقود الأحفوري نحو أربعة آلاف. والغلاف الجوي نحو 870.
والتبادل بين هذه المخازن هو دورة الكربون. والتدفقات الطبيعية هائلة ومتوازنة تقريبًا: فالتمثيل الضوئي يسحب سنويًّا نحو 120 جيغاطنًّا ويعيد التنفس مقدارًا مماثلًا.
أما احتراق الفحم والنفط والغاز فيضيف إلى تلك الدورة نحو 10 جيغاطن سنويًّا كانت خارج التداول منذ العصر الفحمي. وهو رقم صغير أمام التدفقات الطبيعية وكبير أمام الاختلال بينها، وهذا التمييز هو مفتاح فهم لماذا يتراكم.