جادوی شیمی ‌کربن

ساسان شادمان منفرد_روزنامه نگار

این روزها که آلودگی هوای تهران به اوج رسیده بار دیگر کربن حسابی مورد لعن و نفرین است. نام دی‌اکسید‌کربن بار دیگر همه جا شنیده می‌شود. اما مسئله‌ای که خیلی‌ها به آن فکر نمی‌کنند بلایی است که ما آدم‌ها خودمان سر کره‌خاکی محل زندگی‌مان آورده‌ایم. کربن به قدری در جهان متنوع و مهم است که انجمن رویال شیمی آن را «سلطان عناصر» می‌نامد. این عنصر همه جا هست و ما برای همه‌‌چیز از آن استفاده می‌کنیم. کربن در واقع یکی از اساسی‌ترین مواد برای زندگی ما به‌حساب می‌آید. 80درصد از سنگ‌های کربنی زمین، سنگ آهک‌هایی هستند که از پوست‌ها و اسکلت‌های موجودات دریایی ساخته شده‌اند. بیشتر آنها به زغال‌سنگ، نفت، فسیل و گاز تبدیل می‌شوند. داستان کربن با زندگی سیاره ما عجین شده، اما این تمام ماجرا نیست. ما در حال حاضر حدود 100برابر بیشتر از حد مجاز کربن وارد جو می‌کنیم. سطح دی‌اکسید کربن، 150سال پیش، 218در میلیون بود، اما اکنون 412در میلیون است. کربن حالا وضعیت سیاره‌مان را اینگونه کرده است و همه به‌دنبال راهی برای فرار از چنین اوضاعی هستند. کربن جادویی می‌تواند بهترین عنصر زندگی ما باشد اما سلطان عناصر را به دشمن خودمان تبدیل کرده‌ایم.

اعجوبه منحصربه فرد 
کربن در جایگاه ششم جدول تناوبی قرار دارد و دارای 6پروتون، 6نوترون و 6الکترون است. 2عدد از این الکترون‌ها بالاتر از پوسته الکترون بوده و تقریبا نزدیک هسته را پر می‌کنند، درحالی‌که 4الکترون دیگر در یک پوسته نیمه خالی در خارج قرار دارند. این الکترون های بیرونی که با عنوان الکترون‌های ظرفیت (والانس) شناخته می‌شوند، کلید خصوصیات باورنکردنی کربن هستند.
الکترون‌های خارج از لایه اتم هستند که در پیوندهای شیمیایی نقش دارند. مقدار پیوندهای شیمیایی بستگی به میزان فضای داخل پوسته دارد و نکته شگفت‌انگیز در مورد کربن این است که فضای آن برای 4اتصال فراهم شده است. این بدان معنی است که به یک اتصال‌دهنده چهارطرفه تبدیل می‌شود که اتم‌های مختلف را به هم پیوند می‌دهد. این زنجیره می‌تواند زنجیرهای مستقیمی بسازد؛ زنجیرهایی با شاخه‌هایی متصل به هم که حلقه‌هایی را ایجاد کرده‌اند که خودبه‌خود پیوند نمی‌خورند. لبه‌های زنجیره‌های کربن می‌توانند در اتم‌های هیدروژن ختم شوند و آنها را مانند روغن لغزنده کنند یا می‌توانند به گروه‌های دیگری از عناصر که «گروه‌های عاملی» نامیده می‌شوند و هر یک از آنها خاصیت شیمیایی مختلفی دارند، متصل شوند. کربن مثل داربست عناصر کار می‌کند و شکل‌ها، اندازه‌ها و شیمی مولکول‌های ایجاد شده در آن بسیار متفاوت است. یکی دیگر از مهم ترین خواص کربن این است که اگرچه پیوندهایی که انجام می دهد، بسیار قوی و غیرقابل شکست است و مولکول‌های کربنی به اندازه‌ای پایدار هستند که فرونمی‌ریزند، اما با وارد کردن میزان صحیحی از انرژی، آنها می‌توانند به کاربری دیگری مبدل شوند. این موضوع کربن را به ستون فقرات کامل مولکول‌های زندگی مبدل کرده است. چربی‌ها، کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک (DNA وRNA) همگی براساس کربن ساخته شده‌اند. درحال حاضر 100میلیون میلیارد تن کربن روی زمین وجود دارد که عمرشان، بیشتر از عمر منظومه شمسی است. خورشید ما نوه نخستین ستاره‌هایی به‌حساب می‌آید که در کیهان ایجاد شده است. خورشید حدود 4میلیارد و 600میلیون سال پیش از درون ابری از غبار و گاز و بر اثر یک انفجار ابر نو اختر متولد شده است. آن غبار و گاز، شامل تمامی اتم‌هایی کربنی است که روی سیاره‌مان وجود دارد. کربن با اکسیژن واکنشی ایجاد می‌کند که ماحصل آن دی‌اکسید‌کربن می‌شود؛ زیادی آن باعث تولید گاز گلخانه‌ای می‌شود که امکان حیات روی سیاره را نمی‌دهد. به سیاره زهره نگاه کنید؛ حرارت سطح آن 462درجه سانتی‌گراد است. خوشبختانه زمین به یک گلخانه تبدیل نشد، بلکه دستگاهی است برای تولید حیات براساس کربن و نکته جالب‌تر اینکه، زندگی و زمین به‌طرز عجیبی با یکدیگر بر سر نگهداری وضع موجود همکاری می کنند. از کربن به‌نوعی به‌عنوان ترموستات زمین هم یاد می‌شود. سیاره ما چرخه آرامی از کربن را دارد که دوره‌ای 100میلیون ساله دارد. ترکیب دی‌اکسید‌کربن با آب در جو، اسید کربنیک تولید می‌کند که صخره‌ها را می‌خورد. این اتفاق، کلسیم‌های گرفتار را آزاد می‌کند. ارگانیسم‌های پوسته‌ساز در اقیانوس‌های زمین، این کلسیم را با یون‌های کربن‌دار ترکیب کرده و کربنات کلسیم تولید می‌کنند. زمانی که این ارگانیسم‌ها می‌میرند و به کف اقیانوس سقوط می‌کنند، مبدل به سنگ آهک شده و کربن را زیر زمین محفوظ نگه‌می‌دارند. کم‌کم و بر اثر رانش زمین و یا زلزله این کربن به جو بازمی‌گردد. فعالیت‌های آتشفشانی باعث بازگشت کربن به هوا می‌شود؛ چیزی درحدود 130تا 380میلیون تن در هر سال. در کنار این چرخه آرام و کم‌سرعت، چرخه پرسرعت دیگری برای کربن وجود دارد که توسط گیاهان شکل می‌گیرد. آنها دی‌اکسید‌کربن را می‌گیرند و با استفاده از نور خورشید، کربن را وارد مولکول‌های ارگانیک می‌کنند. این مولکول‌ها بعدها وارد چرخه غذایی شده و پیش از بازگشت به هوا به شاخ و برگ تبدیل می‌شوند.



قوی‌تر از فولاد
فیبر کربن کشیده‌شده 2برابر از فولاد قوی‌تر است، اما تنها یک چهارم چگالی آن را دارد. این ماده سخت و انعطاف‌پذیر، در برابر مواد شیمیایی نیز بسیار مقاوم است. از سوی دیگر، آن‌قدر انعطاف‌پذیر است که می‌توان با آن، دوچرخه، قایق، اتومبیل، هواپیما و اندام مصنوعی سبک‌وزن ساخت و همه اینها به شکلی است که لایه‌های کربن به هم متصل می‌شوند. لایه‌های منحصر به فرد گرافیت جزو قوی‌ترین ساختارهای جهان است که می‌شناسیم، اما آنها بی‌ثبات هستند. هر ورق اتم کربن لانه زنبوری، به‌خودی خود قوی است، اما پشته‌ها، بالای یکدیگر می‌چرخند و باعث ایجاد پوسته و گسل می‌شوند. در الیاف کربن، آرایش متفاوت است. ورق‌های گرافین صاف نیستند. آنها نوارهای باریک و بلند را تشکیل می‌دهند که در چین‌های تصادفی درهم تنیده، به هم می‌چسبند و الیاف سبک و سختی را تشکیل می‌دهند که از یکدیگر جدا نمی‌شوند.

خواندن ساعت کربن
پرتوهای کیهانی با انرژی بالا به ما کمک می‌کنند تا کار کنیم درحالی‌که گیاهان و حیوانات باستانی مرده‌اند.


1
شما 5/18درصد کربن هستید
بیشتر بدن شما از 4عنصر تشکیل شده است. 65درصد اکسیژن، 5/18درصد کربن، حدود 10درصد هیدروژن و 3درصد نیتروژن.

2
مدادها، الماس‌ها را شکست می‌دهند
گرافین آنقدر قوی است که پیش از شکسته‌شدن می‌توان آن را 25درصد به دو‌طرف کشید. بدین‌ترتیب باید گفت که این ماده از فولاد و الماس هم قوی‌تر است.

3
کربن،ستاره‌های کوچک را می‌کشد
ذوب شدن هلیوم، کربن ایجاد می‌کند، اما خورشید خیلی کوچک‌تر از آن است که بتواند این کربن را بسوزاند. بنابراین، زمانی که خورشید از هلیوم خالی شد، این ستاره، کم‌کم رو به سردی رفته و می‌میرد.

4
دوده سرطان‌زاست
در سال1775، پزشکان به نوعی سرطان پوست عجیب اشاره کردند که تنها به‌دلیل احتراق ناقص و ایجاد دوده در دودکش‌ها به‌وجود می‌آمد.

5
کربن، تایرها را قدرتمندتر می‌کند
تایرها، رنگ‌شان را از کربن می‌گیرند. البته این فقط برای ظاهر کار نیست، کربن باعث قوی‌تر شدن لاستیک و مقاومت آن مقابل خورشید می‌شود.