פחמן

פחמן (Carbon) הוא יסוד כימי אל-מתכתי שסמלו הכימי C ומספרו האטומי 6. בעל מספר ערכיות 4, והוא מופיע בכמות רבה בטבע. הפחמן הוא אחד ממרכיבי היסוד של כל החומרים האורגניים בגוף החי.

פחמן

חנקן - פחמן - בור
C Si       6 C                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	6
סמל כימי	C
סדרה כימית	אל-מתכת
מראה
שחור (גרפיט); חסר צבע (יהלום)
תכונות אטומיות
משקל אטומי	12.0107 u
רדיוס ואן דר ואלס	170 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 4
קונפיגורציה אלקטרונית	1s² 2s² 2p²
דרגות חמצון	−4, 2, 3, 4, 1, −2, −1, −3, 0
תכונות פיזיקליות
צפיפות	2,267 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	5,100K (4,827°C)
נקודת התכה	3,823K (3,550°C)
לחץ אדים	0Pa ב-K
מהירות הקול	18,350 מטר לשנייה ב-K
שונות
אלקטרושליליות	2.55
קיבול חום סגולי	710 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	0.061 × 106/m·Ω
מוליכות חום	129 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	1,086.5 kJ/mol
מבנה גבישי	המערכת הגבישית ההקסגונלית
היסטוריה
מגלה	אנטואן לבואזיה
תאריך גילוי	1789
נקרא על שם	פחם (לטינית)

ייחודיות

פחמן טהור מופיע בשתי צורות נפוצות בטבע:

• יהלום – המינרל הטבעי הקשה ביותר המוכר לאדם, מסודר במבנה ארבעוני (טטרהדרלי) – כל פחמן יוצר ארבעה משולשים תלת-ממדיים זהים המקושרים בקשרים קוולנטיים.
• גרפיט – אחד מהחומרים הרכים ביותר, מסודר במבנה מישורי דו-ממדי, כל פחמן מקושר ל-3 פחמנים נוספים בקשר קוולנטי במבנים משושים (דבר היוצר את שכבות הגרפיט). גרפיט, על אף היותו אל-מתכת, מסוגל להוליך חשמל במבנה זה.

ובמספר מופעים פחות שכיחים הניתנים לייצור במעבדה:

• פולרן – (Fullerene) הידוע גם בשם C60. בעל מבנה מולקולרי של כדור-רגל המורכב מ-60 אטומי פחמן המקושרים זה אל זה בקשרים קוולנטיים.
• ננו-צינורית פחמן – (carbon nanotube) צינורות בעלי קוטר זעיר של ננומטרים בודדים הנוצרים כתוצאה מסגירה של משטחי גרפיט. חומר זה הוא בעל חוזק וגמישות מהחזקים הקיימים בטבע ובעל תכונות של הולכת חשמל.

לפחמן כאמור, יש מספר ערכיות 4 – דבר זה מבטא את מספר האלקטרונים הפנויים ליצירת קשר עם מולקולה אחרת. אלקטרונים אלו אינם זהים ברמתם האנרגטית – שניים מצויים באורביטל s ושנים אחרים באורביטל p (שניהם בקליפה האלקטרונית השנייה L). פחמן מסוגל ליצור ארבעה קשרים יחידים, שני קשרים כפולים ואף קשר משולש אחד. בנוסף לכך אטום הפחמן קטן יחסית ובעל זיקה חזקה לאטומים קטנים. בגלל תכונות אלה ישנן יותר מ-10 מיליון תרכובות פחמן מוכרות לאדם, אלפים מתוכן הכרחיות לקיום חיים (פחמן מהווה יסוד עיקרי בחלבונים וב-DNA). הוא במיוחד נפוץ בטבע בתרכובת פחמן דו-חמצני, המופיעה בשתי צורות: כגז באטמוספירה, ומומסת במקווי מים. תרכובת פחות נפוצה של פחמן וחמצן היא פחמן חד-חמצני. בנוסף לכך מופיע הפחמן גם בתרכובות המצויות בסלעים ובמעמקי האדמה (בצורת פחם, נפט וגז טבעי) בצורה של דלק מאובנים, אשר שריפתו מעלה את ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה.

חשיבותו של הפחמן כמרכיב יסוד בחי ובצומח באה לידי ביטוי בתחום הכימיה האורגנית, שהיא ענף מיוחד של הכימיה העוסק בחקר תרכובות אורגניות, שהן תרכובות המכילות פחמן.

שימושים

• פחמן 14 – גילויו של איזוטופ ¹⁴C ב־27 בפברואר 1940 עזר לפתח את שיטת תיארוך הפחמן.
• שילוב פחמן בצורת גרפיט עם חרסית לשימוש בעפרונות.
• ייצור פלדה על ידי הוספת פחמן לברזל.
• בכורים גרעיניים נעזרים במוטות פחמן לשליטה בתגובת השרשרת.
• משתמשים בגרפיט בצורת אבקה קרושה בבישול, אמנות ועוד.
• גלולות או אבקת פחם מנוצלות ברפואה על-מנת לספוג רעלים וארס ממערכת העיכול.
• פחמן-12 משמש כייחוס, על-פיו מחושבות המסות האטומיות של כל גרעיני האטומים.
• מסתם לב מלאכותי - מסתם מכני (שהוא סוג של מסתם לב מלאכותי) עשוי בדרך כלל מטיטניום ופחמן

איזוטופים של פחמן

סמל	(p)‏Z	(n)‏N	מסה איזוטופית (u)	זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר מולרי מהיסוד)	טווח השינוי הטבעי (כשבר מולרי מהיסוד)
	התרגשות אנרגטית
8C	‏6	2	8.037675(25)	[KeV‏ (50)230] E-21 s‏(4)2.0	0+
9C		3	9.0310367(23)	ms‏ (9)126.5	(3/2-)
10C		4	10.0168532(4)	s‏ (12)19.290	0+
11C		5	11.0114336(10)	min‏ (24)20.334	3/2-
12C		6	12 לפי הגדרה	יציב	0+	0.9893(8)	0.98853–0.99037
13C		7	13.0033548378(10)	יציב	1/2-	0.0107(8)	0.00963–0.01147
14C		8	14.003241989(4)	E+3 a‏(3)5.70	0+
15C		9	15.0105993(9)	s‏ (5)2.449	1/2+
16C		10	16.014701(4)	s‏ (8)0.747	0+
17C		11	17.022586(19)	ms‏ (5)193	(3/2+)
18C		12	18.02676(3)	ms‏ (2)92	0+
19C		13	19.03481(11)	ms‏ (23)46.2	(1/2+)
20C		14	20.04032(26)	[ms‏ (6-5+)14] ms‏ (3)16	0+
21C		15	21.04934(54)#	ns‏ 30>	(1/2+)#
22C		16	22.05720(97)#	[ms‏ (14-12+)6.1] ms‏ (13)6.2	0+

היסטוריה ואטימולוגיה

מקור השם האנגלי – carbon בא מהמילה הלטינית carbo, שפירושה פחם ופחם עץ.^[1] מכאן גם בא המקור לשם הצרפתי של הפחמן – charbon, שפירושו פחם עץ. בגרמנית, הולנדית ודנית, הפחמן נקרא koolstof, Kohlenstoff ו-kulstof בהתאמה, כולן בעלות משמעויות דומות המתפרשות כחומר-פחם. בעברית נוצר השם "פחמן" בדרך תצורה של שורש ומשקל – שורש פ-ח-מ ומשקל קטלן, שבו נהוג לציין יסודות.

קרל וילהלם שלה

אנטואן לבואזיה בצעירותו

בשנת 1722, רנה אנטואן פרשו דה ראומיר הראה כי ברזל הופך לפלדה באמצעות קליטת חומרים מסוימים, שהוכרו כפחמנים.^[2] בשנת 1772, הראה אנטואן לבואזיה כי יהלומים הם צורה של פחמן בכך ששרף דוגמיות פחמן ויהלום והראה כי אף אחד מהחומרים לא הפיק מים וששניהם משחררים את אותה הכמות לגרם אחד של פחמן דו-חמצני. קרל וילהלם שלה גילה שגרפיט, שהיה ידוע כצורת עופרת, הוא בעצם סוג של פחמן.^[3] בשנת 1779, הוכיחו המדענים הצרפתים קלוד לואי ברטולה, גספאר מונז' וא. ונדרמונד כי חומר זה הוא פחמן.^[4] בפרסומם הם הציעו את השם carbone (בלטינית: carbonum) ליסוד זה. אנטואן לבואזיה רשם את הפחמן כיסוד בספר הלימוד שכתב בשנת 1789.^[3]

ראו גם

• תיארוך פחמן-14

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: פחמן
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: פחמן

• יסוד הפחמן (באנגלית)
• חומר רב ומקיף על פחמן, כולל מצגות תלת־ממדיות (באנגלית)
• פחמן - הצורה השלישית
• מאיר ברק, כיצד יהלום וגרפיט עשויים מפחמן אך תכונותיהם כה שונים?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ספטמבר 2009
• אורי טייכמן, יסוד החיים, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 31 בינואר 2019
• פחמן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• פחמן, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

1. המילון האנגלי המקוצר של אוקספורד
2. Ferchault de Réaumur, R-A (1722). L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé (English translation from 1956).
3. Senese, Fred. "Who discovered carbon?". Frostburg State University.
4. Federico Giolitti (1914). The Cementation of Iron and Steel. McGraw-Hill Book Company, inc..