Tabel periodik

Karbon (C)

Howard Birdsong Disusun dari sumber primer IUPAC, NIST, dan PubChem

Karbon adalah unsur nomor 6, berlambang C, dengan konfigurasi elektron [He] 2s² 2p² dan massa atom standar antara 12,0096 dan 12,0116 u. Ia dasar seluruh kimia organik dan menetapkan satuan massa atom: karbon 12 berbobot tepat 12 u menurut kesepakatan.

Mengapa senyawa karbon lebih banyak daripada semua yang lain?

Dikenal lebih dari sepuluh juta senyawa organik berbanding sedikit lebih dari seratus ribu senyawa anorganik. Ketimpangan itu memiliki penjelasan yang tegas dan terukur.

Ikatan karbon-karbon memiliki energi disosiasi sekitar 346 kJ/mol. Itu praktis sama dengan ikatan karbon-hidrogen, 413 kJ/mol, atau karbon-oksigen, 358. Akibatnya, bagi sebuah atom karbon sama menguntungkannya mengikat karbon lain maupun apa pun yang lain.

Sifat itu, yang disebut katenasi, memungkinkan pembangunan rantai dan cincin sepanjang apa pun tanpa strukturnya kehilangan kestabilan. Molekul dengan lima puluh karbon sama mungkinnya dengan yang berisi dua.

Silikon, yang terletak tepat di bawahnya dalam tabel, memiliki empat elektron valensi seperti karbon, tetapi ikatan dengan dirinya sendiri hanya mencapai 222 kJ/mol, sedangkan ikatan silikon-oksigen mencapai 452. Senyawa silikon dengan adanya oksigen selalu cenderung berubah menjadi silika. Karena itu kerak bumi terbuat dari silikat dan kehidupan terbuat dari karbon.

Selain katenasi ada kemampuan membentuk ikatan ganda. Karbon membentuk ikatan rangkap dua dan tiga yang efektif karena orbital p-nya padat dan bertumpang-tindih baik dari samping. Orbital silikon, yang lebih menyebar, tidak mampu.

Apa itu alotrop karbon?

Bentuk berbeda dari unsur yang sama, dengan sifat berlawanan.

Intan memiliki setiap atom terikat pada empat atom lain dalam susunan tetrahedral, dengan hibridisasi sp³, dalam jaringan tiga dimensi yang sinambung. Semua elektron valensi terpakai dalam ikatan, sehingga ia tidak menghantar listrik, dan memecah kristalnya menuntut pemutusan ikatan kovalen: dari sanalah kekerasannya 10 pada skala Mohs.

Grafit memiliki setiap atom terikat pada tiga atom lain dalam lembaran heksagonal datar, dengan hibridisasi sp². Elektron keempat menyebar dalam sistem π yang menjelajah lembaran, yang membuat grafit menghantar. Lembaran itu hanya disatukan gaya dispersi dan saling menggelincir, yang menjelaskan mengapa ia berguna sebagai pelumas dan meninggalkan bekas pada kertas.

Menariknya, grafit adalah bentuk yang stabil secara termodinamika pada tekanan dan suhu biasa. Intan bersifat metastabil dan perlahan berubah menjadi grafit, meski penghalang energinya begitu tinggi sehingga prosesnya memakan skala waktu geologi.

Fuleren, yang ditemukan pada 1985, adalah sangkar tertutup; yang paling dikenal, C₆₀, bergeometri bola sepak. Nanotabung adalah lembaran grafena yang digulung. Grafena adalah selembar lepas setebal satu atom.

Bagaimana penanggalan karbon 14 bekerja?

Karbon alami hampir seluruhnya karbon 12, dengan 1,1 % karbon 13. Karbon 14 ada dalam kadar sangat kecil, sekitar satu bagian per triliun, dan bersifat radioaktif.

Ia terbentuk terus-menerus di atmosfer atas ketika neutron yang dihasilkan sinar kosmik menumbuk inti nitrogen 14. Karbon 14 yang terbentuk teroksidasi menjadi karbon dioksida dan bercampur dengan sisanya.

Selama sebuah organisme hidup, ia bertukar karbon dengan lingkungan dan mempertahankan perbandingan atmosfer. Saat mati, pertukaran berhenti. Karbon 14 meluruh lewat emisi beta dan kembali menjadi nitrogen 14 dengan waktu paruh 5 700 tahun.

Mengukur sisanya memberi umurnya. Setelah 5 700 tahun tersisa separuh; setelah 11 400, seperempat. Menjelang 50 000 tahun sinyalnya berbaur dengan derau latar, dan itulah batas praktis metodenya.

Willard Libby mengembangkannya pada 1949 dan menerima Nobel pada 1960. Teknik ini menuntut satu koreksi penting: perbandingan atmosfer tidak tetap, dan dikalibrasi dengan lingkaran tahun pohon yang umurnya diketahui.

⚠️ Uji coba nuklir atmosfer pada tahun lima puluhan dan enam puluhan menggandakan karbon 14 di atmosfer. Puncak itu memungkinkan penanggalan dengan ketelitian satu tahun untuk bahan yang terbentuk setelah 1955, dan menjadi alat forensik.

Mengapa karbon menetapkan satuan massa atom?

Menurut kesepakatan internasional, satu atom karbon 12 memiliki tepat 12 satuan massa atom. Itu bukan pengukuran melainkan definisi: satuannya ditetapkan dari isotop tersebut.

Pilihan itu bertarikh 1961 dan menyelesaikan sebuah perbedaan. Para fisikawan memakai oksigen 16 sebagai acuan; para kimiawan memakai oksigen alami, yang merupakan campuran tiga isotop. Kedua skala berselisih sekitar 275 bagian per juta, cukup untuk menimbulkan kekacauan.

Karbon 12 diusulkan sebagai jalan tengah. Ia melimpah, mudah ditangani dalam spektrometer massa, dan pilihannya menggeser kedua skala lama sesedikit mungkin.

Namun massa atom standar karbon bukan tepat 12, melainkan rentang 12,0096 sampai 12,0116 u. Sebabnya adalah keberadaan karbon 13, yang perbandingannya berbeda menurut asal: tumbuhan sedikit membedakan isotop berat selama fotosintesis, dan melakukannya berbeda-beda menurut jalur metabolismenya.

Tanda isotop itu memungkinkan pembedaan gula tebu dari gula bit, atau pendeteksian pemalsuan madu.

Di mana karbon Bumi berada?

Sangat sedikit di atmosfer, meski perhatian yang diterimanya besar.

Cadangan terbesar sejauh ini adalah batuan karbonat: batu kapur, dolomit, dan marmer, yang berjumlah puluhan juta gigaton. Karbon itu sebagian besar berasal dari cangkang dan kerangka organisme laut yang menumpuk selama ratusan juta tahun.

Lautan mengandung sekitar 38 000 gigaton karbon terlarut, terutama sebagai ion bikarbonat. Biosfer daratan dan tanah berjumlah sekitar 2 000. Bahan bakar fosil sekitar 4 000. Atmosfer, sekitar 870.

Pertukaran antar-simpanan itu membentuk daur karbon. Aliran alaminya sangat besar dan kira-kira seimbang: fotosintesis menarik sekitar 120 gigaton setiap tahun dan respirasi mengembalikan jumlah serupa.

Pembakaran batu bara, minyak, dan gas menambahkan pada daur itu sekitar 10 gigaton per tahun yang sudah keluar dari peredaran sejak Karbon. Itu angka kecil dibanding aliran alami dan besar dibanding ketakseimbangan di antaranya, dan pembedaan itulah kunci memahami mengapa ia menumpuk.

Fakta utama

Z
6
Atomic weight
12.011 u
Category
nonlogam reaktif
State at 298 K
Solid
Occurrence
primordial
Discovered
1789
CAS
7440-44-0

Sifat terukur

PropertyValueSource
Electronegativity 2.55 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 3,823 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 4,098 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 2.267 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 170 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 1,086.4 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)
Electron affinity 121.9 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

Konfigurasi elektron

2 4 C
Noble gas notation
[He] 2s² 2p²
Full notation
1s² 2s² 2p²
Electrons per shell
2, 4

Isotop

Pertanyaan umum

Mengapa intan dan grafit begitu berbeda jika keduanya karbon murni?

Karena cara atomnya berikatan. Dalam intan setiap karbon mengikat empat karbon lain dalam jaringan tiga dimensi yang kaku dengan hibridisasi sp³. Dalam grafit setiap karbon mengikat tiga dalam lembaran datar dengan hibridisasi sp², dan lembaran itu hanya disatukan gaya lemah. Karena itu intan adalah bahan alami terkeras dan grafit hancur di antara jari: perbedaannya bukan pada atomnya melainkan pada geometrinya.

Bagaimana penanggalan karbon 14 bekerja?

Sinar kosmik menghasilkan karbon 14 di atmosfer atas dengan laju kira-kira tetap. Makhluk hidup menyerapnya selama bernapas atau makan, sehingga perbandingannya mencerminkan perbandingan atmosfer. Saat mati, pertukaran berhenti dan karbon 14 mulai meluruh dengan waktu paruh 5 700 tahun. Mengukur sisanya memberi waktu yang telah berlalu. Metode ini berlaku sampai sekitar 50 000 tahun, setelah itu sisanya terlalu sedikit untuk diukur.

Mengapa karbon membentuk jauh lebih banyak senyawa daripada silikon, yang tepat di bawahnya?

Karena ikatan karbon-karbon kuat dan stabil, sekitar 346 kJ/mol, sedangkan silikon-silikon sekitar 222 kJ/mol. Karbon membentuk rantai panjang tanpa melemah; silikon tidak. Selain itu karbon membentuk ikatan rangkap dua dan tiga yang efektif lewat tumpang-tindih p-p, sesuatu yang jauh lebih sulit bagi silikon yang lebih besar.

Apa itu grafena dan mengapa begitu penting?

Ia satu lembar grafit setebal satu atom. Orang percaya kristal dua dimensi tidak bisa stabil, sampai pada 2004 Geim dan Novoselov mengisolasinya memakai selotip. Ia menghantar listrik lebih baik daripada tembaga, sekitar dua ratus kali lebih kuat daripada baja relatif terhadap bobotnya, dan hampir tembus pandang. Mereka menerima Nobel Fisika pada 2010.

Sumber