Gæti ég fengið að vita það helsta um kolefni?

Svar

Kolefni kemur við sögu í öllu okkar daglega lífi. Fæðan sem við neytum inniheldur kolefni, flíspeysurnar okkar eru úr kolefni, við notum kolefni til að knýja bílana okkar, sumir skreyta sig með kolefni, við skrifum með kolefni, notum það til að grilla og það kemur mikið við sögu í hinum svokölluðu gróðurhúsaáhrifum svo fátt eitt sé nefnt.

Kolefni er sjötta frumefnið í lotukerfinu og hefur mólmassann um það bil 12 g/mól. Kolefni flokkast undir málmleysingja og hefur marga hentuga og merkilega efnafræðilega eiginleika. Líklega skiptir þó mestu að það hefur fjóra tengimöguleika (er fjórgilt) og getur bundist mörgum mismunandi atómum, en einnig getur það tengst öðru kolefni og myndað lengjur eða flóknar grindur.

Kolefni í náttúrunni finnst í stöðugri mynd sem samsæturnar ¹²C (98,9%) og ¹³C (1,1%) en einnig finnst samsætan ¹⁴C í snefilmagni og er hún geislavirk. Helmingunartími ¹⁴C er um það bil 5750 ár og hefur þessi samsæta verið notuð til aldursgreiningar eins og Sigurður Steinþórsson fjallar um í svari við spurningunni Hver fann upp geislakolsaðferðina til að aldursgreina til dæmis risaeðlur, og hvenær gerðist það?

Kolefnissamböndum er stundum skipt í þrjá meginflokka; lífræn efnasambönd, ólífræn efnasambönd og svo kolefniskeðjur og -grindur. Lífræn efni eru efnasambönd kolefnis að undanskildum kolefnisoxíðum, ólífrænum karbónötum og bíkarbónötum og nokkrum fleiri efnasamböndum. Ólífræn efni eru þá þau efnasambönd kolefnis sem ekki teljast lífræn, en kolefniskeðjur og –grindur eru hreint kolefni í ýmsum myndum.

Friedrich Wöhler (1800-1882).

Lengi vel var talið að einungis lífverur gætu framleitt og myndað lífræn efni. Sú kenning var hins vegar afsönnuð árið 1828 af þýska efnafræðingnum Friedrich Wöhler. Með því að hita ólífræna efnið ammóníum cíanat (NH₄OCN) tókst Wöhler að mynda þvagefni (urea) (CO(NH₂)₂), sem er lífrænt efni. Lífræn efnafræði fjallar um öll lífræn efni en lífefnafræði um þau efni sem fyrirfinnast í lífverum. Flest þeirra efnasambanda innihalda kolefni.

Lífræn kolefnissambönd eru gífurlega mörg og hér verða aðeins nefnd örfá dæmi. Meðal þeirra kolefnissambanda sem við þekkjum vel eru eldsneyti líkt og olía og bensín. Bensín er blanda kolefnissambanda sem flest hafa á bilinu 4 til 12 kolefnisatóm í hverri sameind. Gjarnan er talað um það hversu mörg oktan bensín er, en oktan er keðja af kolefni og vetni og hefur það átta kolefnisatóm (og dregur nafn sitt af því) og 18 vetnisatóm, C₈H₁₈. Nánar má lesa um oktan og oktantölu í svari Ágústs Kvarans við spurningunni Hvað þýðir oktantala í bensíni og hvaða máli skiptir hún?

Líkami okkar þarfnast einnig eldsneytis og þarf fæða okkar að samanstanda af kolvetnum, fitu og prótínum. Það kemur lesendum eflaust lítið á óvart að þau efni innihalda talsvert af kolefni enda er það annað algengasta efnið í líkama okkar á eftir súrefni eins og fjallað er um í svari Þuríðar Þorbjarnardóttur við spurningunni Hver eru helstu frumefni líkamans?

Þríglýseríð er dæmi um lífrænt efni en það er myndað úr þremur fitusýrum sem tengjast glýseróli.

Megnið af þeirri fitu sem við neytum eru efnasambönd sem kallast þríglýseríð, en þau eru samsett úr glýserólsameind (þrígilt alkóhól, það hefur þrjú kolefnisatóm) sem þrjár fitusýrur eru tengdar við. Hvort fitusýran er mettuð, einómettuð eða fjölómettuð ræðst af því hvers konar tengi er á milli kolefnisatómanna í fitusýrunni. Ef ekkert tvítengi er að finna í fitusýrunni er hún sögð mettuð, einómettuð ef eitt tvítengi er til staðar og fjölómettuð ef tvö eða fleiri tvítengi eru á milli kolefnisatóma hennar. Hægt er að lesa meira um fitu og fitusýrur til dæmis í svari Þuríðar Þorbjarnardóttur við spurningunni Getið þið sagt mér allt um lípíð?

Sykrur eru lífræn efnasambönd gerð úr kolefni, vetni og súrefni. Hér má sjá uppbyggingu fjölsykrunnar laktósa.

Kolvetni eru gerð úr frumefnunum kolefni, vetni og súrefni, rétt eins og fita. Uppröðun frumefnanna og innbyrðis hlutföll eru aftur á móti önnur en í fitu eins og fram kemur í svari Önnu Rögnu Magnúsardóttur og Guðrúnar V. Skúladóttur við spurningunni Fita og kolvetni eru gerð úr sömu frumefnum, en hvað er ólíkt með þeim? Kolvetni, sem gjarnan er notað sem samheiti yfir sykrur, er einn mikilvægasti orkugjafi okkar mannanna og er meðal annars fjallað um það í svari Þuríðar Þorbjarnardóttur Hvernig brennir maður prótíni, kolvetni og fitu?

Eitt af þeim kolvetnum sem við neytum er á formi sterkju sem finnst til að mynda í kartöflum og er það keðja af glúkósa. Það eru líka til glúkósakeðjur sem menn get ekki melt og er það vegna þess að glúkósinn tengist saman á annan hátt. Slíkar keðjur kallast sellulósi og eru styrkingar- og stuðningsefni í plöntum. Jórturdýr geta melt sellulósa.

Þau ólífrænu kolefnisefnasambönd sem við þekkjum best eru koleinoxíð, koltvíoxíð og kolsýra. Koleinoxíð eða kolsýringur (CO) myndast þegar kolefni brennur ófullkomnum bruna, það er þegar ekki er nægt súrefni til staðar við brunann. Bruninn verður því samkvæmt efnajöfnunni:

2C(s) + O₂(g) -› 2CO(g)

Koleinoxíð er baneitrað og binst auðveldlega við rauðkornin í blóðinu. Ástæðan er sú að hemóglóbínsameindir rauðkornanna vilja frekar bindast CO en O₂. Afleiðingin er sú að vefir og líffæri líkamans fá ekki nægt súrefni. Snertur af koleinoxíði getur valdið höfuðverk og sljóleika en í meira magni getur það orsakað óafturkræfar heilaskemmdir og jafnvel dauða. Koleinoxíð finnst til dæmis í útblæstri bíla og það er lyktar- og litarlaust.


Bæði koleinoxíð og koltvíoxíð finnast í útblæstri bíla.
Koltvíoxíð eða koltvísýringur (CO₂) hefur tvö súrefnisatóm tengd við kolefnið í stað eins í koleinoxíði. Það myndast þegar kolefni brennur fullkomnum bruna, það er við ofgnótt súrefnis. Bruninn verður samkvæmt efnajöfnunni:

C(s) + O₂ -› CO₂(g)

Einnig getur CO₂ myndast þegar ýmis karbónöt eru hituð eða við gerjun. Það finnst líka í útblæstri bíla. Koltvíoxíð er einn helsti áhrifavaldurinn í hinum svokölluðu gróðurhúsaáhrifum sem meðal annars er fjallað um í svari Jóns Más Halldórssonar við spurningunni Hvað veldur gróðurhúsaáhrifum? Eins og koleinoxíð er það litar- og lyktarlaust en þó ekki eitrað. Nú á dögum tala sumir um það sem mengun en það er villandi því að það myndast við eitt grundvallarferli náttúrunnar, öndun lífvera. Hins vegar raskast hiti og loftslag í lofthjúpi jarðar ef magn þess breytist verulega, og slíkt getur gerst af manna völdum.

Þegar koltvíoxíð kemst í vatnslausn verður til kolsýra samkvæmt efnajöfnunni:

CO₂(aq) + H₂O(l) ‹-› H₂CO₃(aq)

Kolsýru þekkjum við meðal annars í gosdrykkjum og þegar þeir verða flatir eða goslausir er það vegna þess að CO₂ sleppur úr flöskunni þegar hún er opnuð. Um það er fjallað í svari Benediks Waage við spurningunni Geymist "gosið" (koltvísýringurinn) betur í hálffullri gosflösku ef hún er pressuð saman þannig að lítið sem ekkert loft verði eftir í henni?

Kolsýru og karbónat er að finna í blóðrásinni. Koltvíoxíðið verður til við frumuöndun og flyst úr vefjum líkamans til lungnanna. Þar er því breytt í kolsýru með aðstoð ensímsins karbónik anhýdrasa og síðar á bíkarbónatjónaform, en þannig er það flutt að mestu leyti í blóðinu til lungnanna:

CO₂ + H₂O -› H₂CO₃ -› H⁺ + HCO₃^-

Nánar má lesa um kolefni í blóði í svari Þuríðar Þorbjarnardóttur við spurningunni Hvernig flyst koltvíoxíð frá vefjum til lungna?

Þriðji meginflokkur kolefna eru kolefniskeðjur og grindur. Þessi kolefni þekkjum við vel sem demanta, til dæmis í skartgripum, og grafít í blýöntum, en þetta eru tvö meginform kolefnis á föstu formi. Það kann að virðast ótrúlegt að sama efnið geti verið svo ólíkt eins og raun ber vitni, en það skýrist af mismunandi uppröðun atómanna og tengja á milli þeirra eins og komið er inn á í svari Hvað er líkt og ólíkt með kolamola og demanti? eftir EÖÞ.


Sama efnið en ólík uppröðu atóma, grafít og demantur.

Grafít er mjúkt, það hefur hörkuna einn, er svart, hefur gljáa líkt og málmur og getur leitt rafmagn. Kolefnin í því mynda samsíða þynnur en í demanti er flóknari kristalsgrind þar sem kolefnisatómin eru bundin samgildum tengjum. Demantur, sem er harðasta þekkta efni í náttúrunni hefur hörkuna tíu, það er að segja nánast mestu hörku sem þekkist. Demantur hefur líka hæsta bræðslumark allra þekktra efna eins og Ágúst Kvaran fjallar um í svari sínu við spurningunni Hvert er bræðslumark demants? Hægt er að búa demanta til í verksmiðjum en til þess þarf gríðarlegan hita (3000°C) og þrýsting (um 100.000 loftþyngdir). Slíkir demantar eru notaðir í iðnað, til dæmis í glerskurðarhnífa.

Kolin sem við notum til að grilla eru einnig dæmi um kolefni á nokkuð hreinu formi. Þau hafa myndast úr viði eða öðrum lífrænum plöntuleifum langt niðri í jörðinni þar sem mikill hiti og lítið súrefni er til staðar. Við þær aðstæður á sér stað svokölluð kolun sem felst í því að hlutfall kolefnis eykst en hlutfall vetnis og súrefnis minnka. Kolun getur gengið svo langt að efnið breytist í hreint kolefni. Nánar er fjallað um þetta í svari Sigurðar Steinþórssonar við spurningunni Hvað eru steinkol og til hvers eru þau notuð? Kol eru einnig notuð til síunar á lofti og til að hreinsa vatn eða áfengi.

Enn eitt dæmið um þennan þriðja flokk kolefnis er svokallað "Carbon black" sem meðal annars er notað sem litarefni. Það er myndað úr metani samkvæmt efnajöfnunni:

CH₄(g) + O₂(g) -› C(s) + 2H₂O(l)

Því má svo bæta við að á síðustu áratugum hafa komið fram svokölluð knattkol (buckminsterfullerenes) þar sem kolefnisatómin tengjast í eins konar kúlu svipað og reitirnir á fótbolta, eða í pípur. Þess konar efni eru notuð í vaxandi mæli í svokallaðri nanótækni sem miklar vonir eru bundnar við. Hægt er að lesa meira um nanótækni í svari Viðars Guðmundssonar við spurningunni Hvað er nanótækni?

Eins og þessi umfjöllun ber með sér kemur kolefni mjög víða við sögu, hvort sem er í lífrænum eða ólífrænum efnasamböndum eða eitt og sér. Á Vísindavefnum eru fjölmörg svör þar sem kolefni kemur fyrir, auk þeirra svara sem þegar hefur verið vísað í. Sem dæmi má nefna:

• Hvernig er hringrás kolefnis háttað í náttúrunni? eftir Jón Má Halldórsson.
• Hvernig geta plöntur breytt koltvíoxíði í súrefni? eftir Kesara Anamthawat-Jónsson.
• Er „kolefnisklukkan” alltaf áreiðanleg? eftir Sigurð Steinþórsson.
• Hvers vegna kemur reykurinn af eldinum? eftir Þorstein Vilhjálmsson.
• Hvað þarf að gróðursetja mörg tré til að vinna gegn koltvíoxíðsmengun eins bíls? eftir Brynhildi Bjarnadóttur.

Heimildir og myndir:

• Brown, Theodore L. o.fl.. 2003. Chemistry the central science, 9. útg. Pearson education.
• McMurry, John. 2003. Fundamentals of organic chemistry, 5. útg. Cornell University.
• Campbell, Neil A og Reece, Jane B. 2005. Biology, 7. útg. Pearson education.
• Mynd af Wöhler: Friedrich Wöhler á Wikipedia, the free encyclopedia.
• Mynd af þríglýseríði: Fatty Acids @ 3Dchem.com.
• Mynd af laktósa: Complex Carbohydrates @ 3Dchem.com.
• Mynd af útblæstri: Thinkquest.org.
• Mynd af grafíti: Alan Guisewite, Robotics Institute, Carnegie Mellon University.
• Mynd af demanti: Diamond á Wikipedia, the free encyclopedia.