שלושה איזוטופים של פחמן מתרחשים בטבע: C12 - פחמן 12 האיזוטופ הנפוץ ביותר של פחמן, מהווה כ– 99% מכמות הפחמן המצויה בטבע.
C13 - פחמן 13 איזוטופ המהווה קצת פחות מ – 1% מכמות הפחמן המצויה בטבע.
C14 - פחמן 14 הינו איזוטופ נדיר של פחמן, פחמן 14 מהווה כ – 0.0000000001% מכמות הפחמן המצויה בטבע. פחמן -14 הינו רדיואקטיבי, עם הזמן פחמן – 14 דועך ומתקבל חנקן - 14.
סקירה כללית
פחמן הינו האלמנט השישי הנפוץ ביותר ביקום והאלמנט הרביעי הנפוץ ביותר במערכת השמש.
יותר מעשרה מיליון תרכובות פחמן ידועות בטבע. פחמן הינו מרכיב דומיננטי במבנה של אורגניזמים, רוב המולקולות אשר מהן בנויים אורגניזמים הינן תרכובות אורגניות - אשר בנויות בעיקר מפחמן, כגון: פחמימות, חלבונים ושומנים. פחמן הינו היסוד השני הנפוץ ביותר בגוף האדם לאחר החמצן. כ -18% ממשקל הגוף נובע מפחמן.
פחמן קיים במספר צורות אלוטרופיות - Allotropes , צורות של אלמנט בעל תכונות פיסיקליות וכימיות שונות. בשתי צורות אלוטרופיות של של פחמן יש מבנים גבישיים: יהלום וגרפיט, בהם האטומים נמצאים בצורה מסודרת. למרות זאת ליהלום וגרפיט תכונות שונות מבחינה פיזיקלית.
היהלום הוא החומר הטבעי הקשה ביותר הידוע, בעל דירוג של 10 בסולם מוס. נקודת ההתכה של היהלום היא כ -3,700 מעלות צלזיוס (6,700 מעלות צלזיוס) ונקודת הרתיחה שלו היא כ -4,200 מעלות צלזיוס. צפיפותו היא 3.50 גרם לסנטימטר מעוקב.
יהלום - Diamond
גרפיט הינו חומר בעל דרגת קשיות נמוכה - 2.0 עד 2.5 בסולם מוס. גרפיט אינו מוך לנוזל אלא עובר סובלימציה – שינוי מצב צבירה ממוצק לגז בסביבות 3,650 מעלות צלזיוס. צפיפותו היא כ 1.5-1.8 גרם לכל סנטימטר מעוקב. הערך המספרי של מאפיינים אלה משתנה בהתאם למקום שממנו נוצר הגרפיט.
גרפן הינו יריעה דו ממדית של אטומי פחמן המסודרים בצורה של משושים כמו בכוורת, בעובי של שכבה אטומית אחת, ומהווה את אבן היסוד לגרפיט, פולרנים וננו-צינורית פחמן. החומר בודד לראשונה מהגרפיט שמצוי בעפרונות.
פולרנים הינם קבוצת חומרים בעלי מבנה דומה לגרפיט ( אשר בנוי ממישורים של טבעות משושות ), אלא שבמבנה הפולרנים בין הטבעות המשושות קיימות טבעות מחומשות או מתומנות, אשר מונעות יצירת מבנה מישורי. הפולרנים התגלו ב-1985 על ידי רוברט קארל, הרולד קרוטו וריצ'רד סמולי מאוניברסיטת סאסקס ומאוניברסיטת רייס, והם קרויים על שם האדריכל ריצ'רד באקמינסטר פולר. הם קיבלו פרס נובל בשנת 1996 גם בגלל שהראו כי אטומי הפחמן נוטים להסתדר באופן טבעי במבנה זה.
באקמינסטרפולרן הוא הפולרן הקטן ביותר שבו שני מחומשים לא חולקים גבול הוא גם הנפוץ ביותר במונחים של יצירה בדרכים טבעיות, כיוון שניתן לגלותו בהרבה מקרים בפיח.
גרפיט - Graphite
באקמינסטרפולרן- Buckminsterfullerene
לצורות פחמן אמורפי, כמו חומרים שאינם גבישיים , אין נקודת התכה ורתיחה ברורות. הצפיפות שלהם עשויה להשתנות בהתאם למקום מקורם.
תכונות כימיות
פחמן אינו מתמוסס או מגיב עם מים, חומצות, או רוב החומרים האחרים. פחמן מגיב עם חמצן, תגובה זו יוצרת שריפה, פחמן דו חמצני (CO 2) וחד תחמוצת הפחמן (CO).
אטומי הפחמן יוצר קשרים קוולנטים חזקים עם אטומי פחמן נוספים. כל אטום פחמן משתתף ב 4 קשרים יחידים וכן בקשרים כפולים או משולשים, הפחמן יוצר שרשראות ארוכות ישרות, מסועפות וטבעתיות.
חלק מתרכובות הפחמן הן טבעיות כמו סוכרים, שומנים וחלבונים, כימיה של החי והצומח מבוססת על תרכובות פחמן. לתרכובות הפחמן יש שימושים רבים בכל תחומי החיים כגון מזון, נפט ומוצריו, חומרים פלסטיים, תרופות, חומרי הדברה ועוד.
מחזור הפחמן בטבע
מחזור הפחמן בטבע הינו מחזור בו פחמן ממקור אי אורגני – CO2 מומר לתרכובות אורגניות כגון: פחמימות, חלבונים ושומנים. אורגניזמים מנצלים את אבות המזון לאנרגיה ופולטים בחזרה אל הטבע פחמן דו חמצני – CO2.
התהליכים העיקריים המעורבים במחזור הפחמן הינם: תהליך הפוטוסינתזה, תהליך הנשימה התאית / פירוק החומרים האורגניים על ידי המפרקים בשרשרת המזון, התפרצות הרי געש ושרֵפת חומרי דלק על ידי האדם.
תהליך הפוטוסינתזה
הצמחים ביבשה והאצות, מסוגלים לקלוט פחמן אי-אורגני מן הסביבה ולייצר ממנו חומרים אורגניים באמצעות תהליך פוטוסינתזה .
מעגל קלווין בצמחים מאפשר את קיבועו של פחמן אי אורגני אל תוך תרכובות אורגניות ויצירת פחמימות, חלבונים ושומנים על ידי צמחים.
תהליך הנשימה התאית
התרכובות האורגניות אשר מתקבלות מהצומח - פחמימות, חלבונים ושומנים, מתפרקות בתאי בעלי חיים ומפרקים - בעיקר חיידקים, פטריות ותולעים, בתהליך הנשימה התאית – ( גליקוליזה, מעגל קרבסותהליך הזרחון החמצוני ) למים ול – CO2.
פחמן בתרכובות אורגניות עובר לתרכובות אי אורגניות
מקצתן של תרכובות הפחמן בצמחים ובבעלי החיים מגיע אל הקרקע (ואל המים) דרך הפרשות ושרידים של היצורים שמתו. המפרקים במארג המזון, בעיקר חיידקים ופטריות, ניזונים מתרכובות פחמן אלו, ובתהליכי הפירוק הם מפרקים את תרכובות הפחמן האורגניות לתרכובת אי-אורגנית – פחמן דו-חמצני, CO2 – שנפלטת אל האוויר (ואל המים).
שימושים נפוצים בפחמן
פחמן עשוי ליצור מבנים מולקולריים מגוונים, קיימות מעל 10 מיליון תרכובות אורגניות שונות בטבע וככל שהזמן עובר מתגלות תרכובות נוספות.
פחמן נמצא בשימוש נרחב בחיי היום יום שלנו.
מזון – אבות המזון, פחמימות, חלבונים, שומנים הינם תרכובות אורגניות.
כהלים – כהלים הינם תרכובות אורגניות אשר מכילות אטומי פחמן וקבוצות כהל – OH. כהלים משמשים בתעשיה הכימית, מזון, בשמים, תרופות וכממיסים לתרכובות רבות.
אתאנול - כהל היין, מצוי במשקאות חריפים, תרופות, בשמים ומשמש גם כחומר חיטוי.
מתאנול - הוא רעל חריף ושתית כמות קטנה ממנו עלולה לגרום למוות או לעיוורון.
אתילן גליקול המשמש למניעת קיפאון מים במכונית ולייצור חומרים פלסטיים.
נפט - הנפט הגולמי משמש להפקת חומרי דלק כמו גז בישול, בנזין, סולר, מזוט, קרוסין, זפת.
תרכובות פחמן שונות שמקורן בנפט הגולמי משמשות בייצור תרופות, צבעים, חומרי ניקוי, חומרים פלסטיים וכדומה.
סמל: C.
מספר אטומי: 6.
מסה אטומית: 12.01115 amu.
נקודת התכה: 3500 – מעלות צלזיוס.
נקודת רתיחה: 4827 – מעלות צלזיוס.
מספר פרוטונים / אלקטרונים: 6.
מספר נויטרונים: 6.
קטגוריה: אל מתכות.
