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.