El carboni és l'element químic de símbol C i nombre atòmic 6. És un element no-metàl·lic i tetravalent, és a dir, pot oferir quatre electrons per formar enllaços químics covalents. Forma part del grup 14 de la taula periòdica, o grup del carboni. Constitueix un 0,025% de l'escorça terrestre. N'hi ha tres isòtops naturals: el 12C i el 13C, que són estables, i el 14C, un radionúclid amb una semivida de 5.700 anys. El carboni és un dels pocs elements coneguts des de temps antics.
És sòlid a temperatura ambient. És l'element químic base en la vida orgànica tal com es coneix, i és, per tant, la base de la química orgànica. Totes les formes de vida que es coneixen estan formades de molècules compostes principalment per carboni, hidrogen, nitrogen i oxigen (a més de multitud d'altres elements en menor proporció). Aquest element no metàl·lic té la interessant propietat de ser capaç d'enllaçar-se amb ell mateix i amb una àmplia varietat d'altres elements. Es coneixen prop de 10 milions de compostos orgànics formats per estructures de carboni. Dins del cos humà, és el segon element més abundant per massa (aproximadament un 18,5% de la total) després de l'oxigen.
Característiques notables El carboni és un element notable per diverses raons: Les seves diferents estructures inclouen una de les substàncies més toves conegudes (el grafit) i una de les més dures (el diamant) (vegeu: escala de Duresa Mohs). Té una gran afinitat per enllaçar-se químicament amb altres àtoms petits, i la seva petita mida li permet la formació d'enllaços múltiples. Aquestes propietats permeten al carboni formar prop de deu milions de compostos orgànics diferents. Aquests compostos de carboni són la base de tota la vida a la Terra. Amb l'oxigen, forma el diòxid de carboni, vital per al creixement de les plantes i altres autòtrofs (vegeu cicle del carboni). Amb l'hidrogen forma nombrosos compostos, anomenats genèricament hidrocarburs, essencials per la indústria i el transports actuals, en forma de combustibles fòssils. Amb hidrogen i oxigen, forma una gran varietat de compostos, com per exemple els àcids grassos, essencials per la vida, i els èsters que donen el seu gust característic a les fruites.
Aplicacions El carboni és un component vital de tots els éssers vius, i sense el qual la vida, tal com la coneixem, no podria existir. L'activitat econòmica més gran relativa al carboni (en l'actualitat) és en forma d'hidrocarburs, els anomenats combustibles fòssils, gas metà i cru. El cru és usat per la indústria petroquímica per a produir principalment petroli, gasolina, gas-oli i querosè a través d'un procés de destil·lació en les anomenades refineries. El cru és la matèria primera per a moltes substàncies sintètiques, entre elles els omnipresents plàstics.
Altres usos: L'isòtop ¹⁴C, descobert el 27 de febrer de 1940 és usat en la datació radioactiva. El grafit és combinat amb argiles per a formar les mines dels llapis. El diamant és usat com a pedra preciosa amb finalitats decoratives atesa la seva brillantor, i també s'usa per a fabricar broques, gràcies a la seva duresa. El carboni s'afegeix al ferro per a fabricar acer. El carboni és usat per a fabricar barres de control en reactors nuclears. Pols de grafit cuita és usada com a carbó per a coure peces d'art i per a altres usos. El carbó en píndoles o en pols és usat per a absorbir toxines o verins en l'aparell digestiu.
Les propietats químiques i estructurals dels ful·lerens, en la forma de nanotubs de carboni, tenen un futur prometedor en el naixent camp de la nanotecnologia.
Història El carboni (l'origen llatí del mot prové del carbó, carbo -ōnis), fou descobert a la prehistòria, i ja era conegut a l'antiguitat en la que es formava mitjançant la combustió incompleta de materials orgànics, és a dir, partir de la crema de material orgànic (llenya) amb manca d'oxigen. L'objectiu de l'ofici de carboner era l'obtenció de carbó.
Els diamants, també coneguts des de fa molt temps, són considerats la pedra preciosa per excel·lència, atesa la seva gran duresa i lluentor. Newton, el 1704, va intuir que els diamants podien ser combustibles, però no es va aconseguir cremar un diamant fins a l'any 1772, any en què Lavoisier va demostrar que en la reacció de combustió es produïa CO₂. Tennant va demostrar que el diamant era carboni pur l'any 1797.
Els primers compostos de carboni es van identificar en la matèria viva a principis del , i per aquest motiu, a l'estudi dels compostos de carboni se'l va denominar química orgànica.
L'isòtop més comú del carboni és el 12C; el 1961 d'aquest isòtop es va escollir per a reemplaçar l'isòtop oxigen-16 com a base dels pesos atòmics, i se li va assignar un pes atòmic de 12.
A la natura El carboni no es va crear durant el big-bang perquè hauria necessitat la triple col·lisió de partícules alfa (nuclis atòmics d'heli) i l'Univers es va expandir i refredar massa ràpid perquè la probabilitat que això esdevingués fos significativa. On si ocorre aquest procés és a l'interior de les estrelles (en la fase «RH (Branca horitzontal)») on aquest element és abundant i a més es troba en altres cossos celestes com els estels i en les atmosferes dels planetes. Alguns meteorits contenen diamants microscòpics que es van formar quan el sistema solar era encara un disc protoplanetari.
En combinació amb altres elements, el carboni es troba en l'atmosfera terrestre i dissolt en l'aigua, i acompanyat de menors quantitats de calci, magnesi i ferro forma enormes masses rocoses (calcària, dolomia, marbre, etc.). El grafit es troba en grans quantitats als Estats Units, Rússia, Mèxic, Groenlàndia i l'Índia. Els diamants naturals es troben associats a roques volcàniques (kimberlita i lamproïta). Els majors dipòsits de diamants es troben al continent africà (Sud-àfrica, Namíbia, Botswana, República del Congo i Sierra Leone). Existeixen a més dipòsits importants al Canadà, Rússia, el Brasil i Austràlia.
Formació a les estrelles
La formació del nucli atòmic del carboni requereix una triple col·lisió quasi-simultània de partícules alfa (nuclis d'heli) dins del nucli d'una estrella gegant o supergegant. Això es produeix en condicions de temperatura i concentració d'heli que eren impedides per l'expansió i el refredament ràpids de l'Univers primitiu i, per tant, no es crearen quantitats significatives de carboni durant el big-bang. En canvi, l'interior de les estrelles de la branca horitzontal transformen tres nuclis d'heli en carboni mitjançant el procés triple-alfa. Per tal d'estar disponible per la formació de la vida, cal que el carboni s'estengui a l'espai en forma de pols, en explosions de supernova, com a part del material que més endavant forma sistemes estel·lars de segona i tercera generació, amb planetes formats a partir d'aquesta pols. El sistema solar és un d'aquests sistemes de tercera generació.
Un dels mecanismes de fusió que alimenten les estrelles és el cicle carboni-nitrogen.
Les transicions rotacionals de diverses formes isotòpiques del monòxid de carboni (com ara 12CO, 13CO i C18O) són detectables a l'escala submil·limètrica, i se les utilitza en l'estudi de les estrelles en procés de formació als núvols moleculars.
Cicle del carboni
miniatura|upright=2.2|Diagrama del cicle del carboni. Els números negres indiquen quant de carboni està emmagatzemat en diversos reservoris, en milers de milions de tones (GtC significa «gigatones de carboni»; les quantitats daten d'aproximadament el 2004). Els números liles indiquen quant de carboni canvia de reservori d'un any a l'altre. Els sediments, tal com estan definits en aquest diagrama, no inclouen els ~ 70 milions de GtC de roca carbonada i querogen. En condicions terrestres, la transformació d'un element en un altre és molt rara. Per consegüent, la quantitat de carboni a la Terra és efectivament constant. Així doncs, els processos que utilitzen carboni l'han d'obtenir d'algun lloc i disposar-ne en algun altre lloc. Les rutes que segueix el carboni al medi ambient formen el cicle del carboni. Per exemple, les plantes agafen diòxid de carboni del seu medi i l'utilitzen per crear biomassa, com en la respiració de carboni o el cicle de Calvin, un procés de fixació del carboni. Una part d'aquesta biomassa és menjada pels animals, que exhalen carboni en forma de diòxid de carboni. El cicle del carboni és considerablement més complicat que aquest curt circuit; per exemple, una part de diòxid de carboni es dissol als oceans; la matèria morta animal o vegetal pot esdevenir petroli o carbó, que pot cremar, alliberant carboni, si els bacteris no el consumeixen.
Al·lòtrops Depenent de les condicions de formació pot trobar-se en diverses al·lotropies, actualment es coneixen diverseos al·lòtrops del carboni, com el grafit, el diamant, el ful·lerè, la chaoïta, la lonsdaleïta o la tartarosita.
Grafit En la seva forma amorfa, el carboni és essencialment grafit, però sense formar cap macroestructura cristal·lina. Està formant un polsim, que és el component principal de substàncies com és el carbó i el sutge.
miniatura
A pressions normals, el carbni pren la forma de grafit (sistema hexagonal), un mineral molt tou, en el qual cada àtom està enllaçat a tres més formant un pla de cel·les hexagonals (com en les bresques en un rusc d'abelles). Conté tres electrons en orbitals bidimensionals anomenats sp², i un electró en l'orbital s. En el grafit, capes planes d'àtoms de carboni, s'apilen les unes sobre les altres, com en un llibre. Els enllaços que formen els àtoms de carboni també els trobem en els hidrocarburs aromàtics.
Les dues formes conegudes del grafit, l'alfa (hexagonal) i la beta (romboïdal) tenen les mateixes propietats físiques, però amb una estructura cristal·lina diferent. Els grafits que es formen a la natura contenen fins a un 30% de la forma beta, mentre que els grafits formats sintèticament només contenen grafit en la forma alfa. És possible convertir el grafit de la forma alfa a la forma beta, a través de processos mecànics, però tot el grafit en forma beta es transforma una altra vegada en grafit alfa quan és escalfat per sobre dels 1.000 °C
Atesa la deslocalització dels electrons en el núvol pi, en els cristalls de grafit, aquests condueixen l'electricitat. El material és tou i les capes, sovint separades per altres àtoms, es mantenen unides gràcies a la força de Van der Waals, de manera que rellisquen amb certa facilitat les unes sobre les altres.
Diamant i lonsdaleïta miniatura|Disposició geomètrica dels orbitals hibrids sp³ en el diamant. Els àtoms se situen en els vèrtexs d'un tetraedre regular.
A pressions molt altes, el carboni forma un altre al·lòtrop anomenat diamant, en el qual cada àtom està enllaçat a quatre més. Forma cristalls de diamant (sistema cúbic), el mineral més dur conegut. El diamant té la mateixa estructura cristal·lina que el silici i el germani, i gràcies a la força de l'enllaç carboni-carboni, és la substància més resistent a les ratllades, juntament amb el nitrur de bor (BN) un compost isoelectrònic del diamant, i que comparteix la mateixa estructura cristal·lina que aquest. Conté quatre electrons en els orbitals tridimensionals anomenats sp³. Amb el temps, el diamant tendeix a convertir-se en grafit, però a temperatura ambient la conversió és tan lenta que és indetectable. En les condicions adequades, el carboni pot cristal·litzar com a lonsdaleïta, una forma similar al diamant però hexagonal.
Ful·lerens miniatura|Àtoms de carboni en el ful·lerè (C60) adoptant la forma d'una pilota de futbol.
Pot formar compostos de la família dels ful·lerens (en el ful·lerè més simple, 60 àtoms de carboni formen una capa grafítica, organitzada tridimensionalment, de manera similar a una pilota de futbol), i nanotubs de carboni (on s'organitza també tridimensionalment en forma de tub).