کربن چیست و کاربرد آن در صنایع

عنصر کربن که نام آن از واژه‌ای لاتین “کربو” به ‌معنی زغال‌ سنگ گرفته شده است با نماد شیمیایی C و عدد اتمی ۶ در گروه چهاردهم جدول تناوبی قرار گرفته است. این عنصر پانزدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین بوده و بعنوان چهارمین عنصر در کیهان شناخته می‌شود. همچنین کربن از لحاظ جرم، بعد از اکسیژن دومین عنصر موجود در بدن انسان است و حدود ۱۸٫۵ درصد از جرم بدن را تشکیل می‌دهد. کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و بدون آن زندگی نمی‌تواند وجود داشته باشد. همچنین کاربرد بسیار زیادی در صنایع مختلف دارد.

کربن در کجا یافت میشود؟ سنگ آهک، دولومیت و کربن دی‌اکسید از بزرگ‌ترین منابع کربن معدنی هستند. همچنین مقادیر قابل توجهی از کربن به‌صورت ذخیره شده در منابع آلی مانند زغال‌سنگ، پوده، نفت خام و آذریخ (یخ آتشین یا هیدرات متان) وجود دارد.

کربن چیست

کربن در رده‌ی عناصر غیرفلزی قرار گرفته است و به دلیل چهارظرفیتی بودن چهار الکترون در دسترس برای تشکیل پیوندهای شیمیایی کووالانسی دارد. عنصر کربن با توجه به ویژگی‌هایش، بعنوان عنصر مشترک در تمامی انواع شکل‌های شناخته شده از زندگی وجود دارد. همچنین اتم‌های کربن می‌توانند به صورت‌های مختلفی با یک‌دیگر پیوند برقرار نمایند که باعث تشکیل دگرشکل‌های متنوعی از کربن می‌شود. شناخته شده‌ترین این دگرشکل‌ها، گرافیت، الماس و فولرن باکمینستر می‌باشند. گفتنی است خواص فیزیکی کربن در هر کدام از دگرشکل‌های کربنی متفاوت است.

کربن به خاطر دارا بودن لایه ظرفیت، قادر است به شکلهای گوناگونی از دگرشکلها مانند الماس و گرافیت تولید نماید. در دهه‌های گذشته بسیاری از دگرشکلها و اشکال گوناگون از کربن کشف شده‌است از جمله این موارد اشکال کروی مانند فولرن باکمینستر و ورقه‌هایی مانند گرافین است.

ویژگی گرافیت 

گرافیت دارای ظاهری کدر و سیاه‌ رنگ بوده و یکی از نرم‌ترین مواد شناخته شده است. این ماده به قدری نرم است که می‌تواند برروی کاغذ اثری از خود برجا بگذارد. نام گرافیت از واژه‌ای یونانی به‌معنای نوشتن برگرفته شده‌است. همچنین گرافیت یک هدایت کننده خوب جریان الکتریکی است. ذخایر طبیعی و به‌صورت تجاری در دسترس گرافیت در بخش‌های مختلفی از دنیا وجود دارند با این‌حال مهم‌ترین منابع تجاری گرافیت در مناطقی مانند چین، هند، برزیل و کره شمالی قرار دارد.

در شرایط استاندارد، گرافیت با توجه به اینکه دارای پایداری ترمودینامیکی بالاتری در مقایسه با الماس است، اما نسبت به آن دارای واکنش‌پذیری بالاتری می‌باشد زیرا پیوندهای پای نامستقر آن موجب می‌شود راحت‌تر وارد واکنش شیمیایی شود.

ویژگی الماس

الماس کاملا شفاف است و سخت‌ترین ترکیب طبیعی یافت شده بر روی زمین می‌باشد و از استحکام و صلبیت بسیار بالایی برخوردار است. همچنین الماس یک رسانای ضعیف جریان الکتریسیته است و در بین جامدات در دمای ۲۵ درجه بالاترین رسانایی گرمایی را دارد. امروزه، اغلب ذخایر دارای قابلیت برداشت الماس به‌صورت تجاری، در روسیه، استرالیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار گرفته‌اند.

کاربرد کربن

بیشترین استفاده اقتصادی از کربن به غیر از مواد غذایی و چوب، مربوط به شکل هیدروکربن است که از مهمترین آن‌ها می‌توان به نفت خام، سوخت فسیلی و گاز متان اشاره نمود. نفت خام توسط صنایع پتروشیمی در پالایشگاه‌ها تقطیر می‌شود تا بنزین، نفت سفید، گازوئیل، نفت کوره، قیر و دیگر فراورده‌های نفتی تولید نماید. سلولز نیز نوعی پلیمر طبیعی حاوی کربن است که توسط گیاهان به شکل چوب، پنبه، کتان و کنف تولید می‌شود. سلولز در درجه اول برای حفظ ساختار گیاهان استفاده می‌شود و ساختار اولیه دیواره سلولی گیاهان را تشکیل می‌دهد.

یکی دیگر از کاربردهای کربن اضافه نمودن آن به آهن برای ساخت فولاد و استنلس استیل است. مانند تولید:

• میلگرد استیل ۳۰۴
• میلگرد استیل ۳۱۶
• میلگرد استیل ۳۲۱
• میلگرد استیل ۴۱۰
• میلگرد استیل ۴۲۰
• میلگرد استیل ۴۳۰
• میلگرد استیل ۴۰۵۷
• میلگرد استیل ۱٫۴۹۲۳
• میلگرد استیل نسوز ۳۰۹
• میلگرد استیل نسوز ۳۱۰
• میلگرد استیل ۴PH-17
• لوله استیل ۳۰۴
• لوله استیل ۳۱۶
• لوله استیل ۳۲۱
• لوله استیل نسوز ۳۰۹
• لوله استیل نسوز ۳۱۰
• ورق استیل ۳۰۹
• ورق استیل ۳۰۴
• ورق استیل ۳۱۰
• ورق استیل ۳۱۶ 
• ورق استیل ۴۱۰
• ورق استیل ۴۲۰
• ورق استیل ۴۳۰

دیگر کاربردهای کربن:

•  ترکیب گرافیت با خاک رس برای تولید مغز مداد
• استفاده از الماس برای تزئین و نیز در مته ها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد نیاز است
• کاربرد کربن سیاه بعنوان رنگ‌دانه سیاه در چاپ جوهر، رنگ روغن و رنگ‌های آبی، کاغذ کاربون، اتمام رنگ خودرو، مرکب هندی و گرد جوهر چاپگر لیزری
• کربن بعنوان افزودنی‌های پلیمری در محصولاتی مانند لاستیک و در ترکیبات پلاستیکی استفاده می‌شود.
• استفاده از زغال فعال به‌عنوان یک جاذب و جذب کننده سطحی در مواد فیلتردار در کاربردهایی مانند ماسک‌های گازی، خالص‌سازی آب و هود آشپزخانه و در پزشکی برای جذب زهرابه، سموم یا گازهای دستگاه گوارش
• استفاده از کاربید تنگستن در مته‌های حفاری