Kol

Kol (latin: Carbo) är ett grundämne som har det kemiska tecknet C och atomnumret 6. Livet vi känner är baserat på grundämnet kol. Av detta skäl kallas alla molekyler, där kol- och väteatomer ingår, för organiska. Oorganiska ämnen är således de ämnen som innehåller vilket som helst av de övriga grundämnena, utom både kol och väte samtidigt. Trots detta känner vi idag till fler organiska ämnen än icke-organiska.

Den här artikeln handlar om grundämnet kol. För olika bergarter som benämns kol, se Kol (bränsle). För andra betydelser, se Kol (olika betydelser).

Kol
Nummer 6 Tecken C Grupp 14 Period 2 Block p
C ↓ Si Bor ← Kol → Kväve     [He] 2s2 2p2             6C                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Grafit (vänster) och diamant (höger) – de två mest kända allotroperna av kol. Emissionsspektrum
Generella egenskaper
Relativ atommassa	12,011 [12,0096–12,0116][1][2] u
Utseende	G: Svart D: Färglös (diamant)
Allotroper	Grafit (G) Diamant (D) Amorft kol (A) Fulleren Grafen
Fysikaliska egenskaper
Densitet	A: 1,8–2,1 g/cm3[3] G: 2,267 g/cm3 D: 3,515 g/cm3[4]
Aggregationstillstånd	Fast
Smältpunkt	G: 3 773 K (3 550 °C) D: 3 823 K (3 600 °C)
Kokpunkt	5 100 K (4 827 °C)
Sublimationspunkt	3 915 K (3 642 °C)[5]
Trippelpunkt	4 600 K (4 327 °C) 10 800 kPa[6][7]
Molvolym	5,3145 × 10−6 m³/mol
Värmevärde	−393[8] J/(kg × K)
Smältvärme	G: 117 kJ/mol
Ångbildningsvärme	Sublimation: 715 kJ/mol
Specifik värmekapacitet	G: 709[9] J/(kg × K) D: 427 J/(kg × K)
Molär värmekapacitet	G: 8,517 J/(mol × K) D: 6,155 J/(mol × K)
Atomära egenskaper
Atomradie	70 pm
Kovalent radie	73 ± 4 pm
van der Waalsradie	170 pm
Elektronaffinitet	153,9 kJ/mol
Jonisationspotential	Första: 1 086,5 kJ/mol Andra: 2 352,6 kJ/mol Tredje: 4 620,5 kJ/mol Fjärde: 6 222,7 kJ/mol (Lista)
Arbetsfunktion	4,81 eV
Elektronkonfiguration
Elektronkonfiguration	[He] 2s2 2p2
e− per skal	2, 4
Kemiska egenskaper
Oxidationstillstånd	+4, +3,[10] +2, +1,[11] 0, −1, −2, −3, −4[12]
Oxider (basicitet)	CO2; CO (svagt sur)
Elektronegativitet	2,55 (Paulingskalan) 2,544 (Allenskalan)
Diverse
Kristallstruktur	G: Hexagonal D: Diamantstruktur
Ljudhastighet	D: 18 350 m/s
Termisk expansion	D: 0,8[13] µm/(m × K) (25 °C)
Värmeledningsförmåga	G: 140[8] W/(m × K) D: 900–2300 W/(m × K)
Elektrisk konduktivitet	G: 105 S/m (Ω−1 × m−1) D: 0,001[8] A/(V × m)
Elektrisk resistivitet	G: 7,837[14] nΩ × m (20 °C)
Magnetism	Diamagnetisk[15]
Magnetisk susceptibilitet	D: −2,2 × 10−5[16] G: −4,5 × 10−4[17]
Brytningsindex	D: 2,417[8]
Youngs modul	D: 1050[13] GPa
Skjuvmodul	D: 478[13] GPa
Kompressionsmodul	D: 442[13] GPa
Poissons konstant	D: 0,1[13]
Mohs hårdhet	G: 0,5 D: 10
Identifikation
CAS-nummer	7440-44-0
EG-nummer	231-153-3
Pubchem	5462310
RTECS-nummer	FF5250100
Historia
Namnursprung	Från latin carbo, ”träkol”[18][19]
Förutsägelse	Egyptier och sumer[20] (3750 f.Kr.)
Fastställt som ett grundämne av	Antoine Lavoisier[21] (1789)
Stabilaste isotoper
Huvudartikel: Kolisotoper Nuklid NF t1/2 ST SE (MeV) SP 10C {syn.} 19,255 s β+ 3,648 10B 11C {syn.} 20,334 min β+ 1,982 11B ε 11B 12C 98,9 % Stabil 13C 1,1 % Stabil 14C Spår 5730 a β− 0,156 14N 15C {syn.} 2,449 s β− 9,772 15N 16C {syn.} 0,747 s β− + n 8,012 15N β− 16N
Säkerhetsinformation
NFPA 704 1 0 0
SI-enheter och STP används om inget annat anges.

Som rent material förekommer kol i flera olika former (allotroper), som grafit, diamant, fullerener och amorft kol.

Det rena kolets egenskaper och dess användning beskrivs under respektive uppslagsord (se nedan). Grafit, diamant och stenkol bryts i gruvor. Alla allotroper av kol är kemiskt motståndskraftiga, men kan oxideras med syre eller halogener. Kol finns med några procents halt i de flesta sorters stål och järn. Kolet är då legerat i järnet och bidrar till järnets hårdhet.

Av de oorganiska kemiska kolföreningarna kan speciellt nämnas:

• Kiselkarbid (SiC) – ett mycket hårt syntetiskt ämne som bland annat används som slipmedel.
• Koldioxid (CO₂) – spelar stor biologisk roll, och produceras när levande varelser andas, används för att få piff på läskedrycker och för viss eldsläckning. Koldioxid är även en viktig växthusgas.
• Kolmonoxid (CO) – en mycket giftig gas som produceras vid ofullständig förbränning, men som också används för ett stort antal tekniskt–kemiska processer, bland annat nickelframställning.
• Karbonater (metall + CO₃²⁻) – många former förekommer i naturen som mineral.
• Cyanider (ämne + CN⁻) – mycket giftiga eftersom de liksom kolmonoxid har förmågan att förhindra syreupptagning genom att blockera hemgruppen i hemoglobin.

Kol ingår också i alla organiska föreningar, där dess förmåga att bilda kedjor är en förutsättning för livets komplexa molekyler.

Kol är universums fjärde vanligaste atomslag. Endast väte, helium och syre är vanligare.

”Kol” är också en beteckning på ett antal bränslen i fast form (se vidare artikeln ”Kol (bränsle)”) med en hög andel av grundämnet kol. Inget av dem utgörs dock av grundämnet i ren form, vilket ibland skapar viss begreppsförvirring på svenska. På de flesta andra språk har grundämnet och bränslet olika namn, exempelvis carbon (grundämnet) respektive coal (bränslet) på engelska och Kohlenstoff (grundämnet) respektive Kohle (bränslet) på tyska.

Historia

Några kolallotroper: a) diamant; b) grafit; c) lonsdaleit; d–f) fullerener (C60, C540, C70); g) amorft kol; h) nanorör.

Fasdiagram för Kol.

Diamant, grafit och förbränningskol har varit känt sedan urminnes tid, och det antas också att man har känt till att de var olika former av ett och samma ämne. Engelsmannen John Dalton var dock den förste som förstod att kol var ett grundämne (1803) – ett resultat som inte publicerades förrän 1807. Den senast upptäckta formen (grafen) fick 2010 års nobelpris i fysik.

Artificiella diamanter framställdes första gången av fransmannen Henri Moissan (1893).^[22]

Användning

• Grafit används som smörjmedel och, blandad med lera, till blyertspennor.
• Diamant används till skärverktyg, borrkronor och smycken.
• Stenkol – som är en oren form av kol – används som bränsle. Efter upphettning, utan lufttillträde, erhålls stadsgas, stenkolstjära och koks av stenkol.
• Träkol – även det en oren form av kol – används bland annat i svartkrut till fyrverkerier.
• Aktivt kol används i filter samt medicinskt vid förgiftningar.

Orbitaler

Anledningen till att ämnet kol förekommer i en sådan mångfald av former är att dess elektronkonfiguration gör att det har exakt fyra valenselektroner. Dessa kan hybridiseras på tre olika sätt (sp³, sp² och sp), vilket innebär att en kolatom kan bilda en enkel-, dubbel- eller trippelbindning till en annan kolatom. Kol kan därmed skapa extremt starka riktade kovalenta bindningar mellan atomer.

Isotoper

Huvudartikel: Kolisotoper

Kol har endast två stabila isotoper, nämligen ¹²C (vars massa atommassenheten u definieras utifrån) och ¹³C. Av de radioaktiva isotoperna är ¹⁴C den klart viktigaste, eftersom dateringsmetoden ¹⁴C-metoden baseras på dess sönderfall. Eftersom alla livsformer på jorden är kolbaserade – och ¹⁴C ständigt nybildas i atmosfären – kommer det att upptas i alla levande organismer och förhållandet mellan ¹⁴C och de stabila isotoperna kommer att vara någorlunda konstant under organismens livstid, med undantag för långlivade arter som träd (vilka å andra sidan kan användas för att kalibrera skalan). När organismen dör börjar ¹⁴C direkt sönderfalla till kväve. Eftersom halveringstiden för ¹⁴C är 5 730 år har det förutom att det ingår i alla levande organismer i någorlunda höga halter dessutom fördelen att det sönderfaller över en tidsskala som är lämplig för att mäta mänskliga aktiviteter, och är därför ett ovärderligt verktyg för arkeologer. Emellertid, ju äldre materialet är desto mindre precis blir den, och den kan därför knappast användas för föremål som är äldre än 40 000 år.

Former

Kristallint kol antar flera former, med kraftigt varierande egenskaper:

• Diamant – ett av de hårdaste ämnena människan känner till som förekommer naturligt. Det används därför som skärverktyg och i borrspetsar. Dessutom är den en ädelsten och används ofta i smycken.
• Grafit – kol ordnat i lager, där bindningarna i varje lager är mycket starka medan bindningarna mellan lagren är betydligt svagare. Detta gör att grafit används i både blyertspennor och som smörjmedel. Endast ett enkelt lager av grafit kallas grafen.
• Fullerener – kolatomer formade i ”bollar” eller nanorör, med ett flertal olika möjliga varianter av båda. Båda har intressanta egenskaper för nanoteknik, bland annat för att rören är extremt hållfasta samtidigt som den elektriska ledningsförmågan varierar mellan olika varianter av dem.
• Grafen – ett material som till stora delar har samma egenskaper och uppbyggnad som grafit. Till skillnad från grafit utgörs grafen av en ytterst tunn skiva, endast en atom tjock. Atomerna är ordnade i ett hexagonalt mönster vilket ger materialet ett antal unika egenskaper utöver de som delas med grafit. Grafen upptäcktes av Andre Geim och Konstantin Novoselov som fick Nobelpriset i fysik år 2010 för upptäckten.^[23] Grafen är mycket speciellt på grund av att det är just en atom tjockt men kan ändå bära vikten av en katt ifall man formade ett "lakan" av det. Styrkan i materialet är 300 gånger den hos stål, dessutom har materialet en utmärkt förmåga att leda elektricitet.

Utöver de kristallina formerna förekommer rent kol i naturen i varierande blandningar av amorft och kristallint kol, till exempel som sot eller stenkol.

Galleri

• 
  Stiften i blyertspennor består av grafit
• 
  En solid kiselkarbidkristall (SiC)
• 
  Kol är basen i alla moderna plastprodukter
• 
  En oslipad diamant

Se även

• Organisk kemi
• Kol (bränsle)
  • Antracit
  • Brunkol
  • Stenkol
  • Träkol
  • Koks
• Kol-14-metoden
• Kolfiber
• Kolcykeln
• Amorft kol

Referenser

Noter

1. Här anges det av IUPAC rekommenderade standardvärdet. Se: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
2. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
3. Lide, David R., red (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5
4. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102:a uppl. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, s. 864.
5. David R. Lide (red.): Properties of the Elements and Inorganic Compounds, sid. 4:8, i: CRC Handbook of Chemistry and Physics, uppl. 90 (internetversion: 2010), CRC Press / Taylor and Francis.
6. Haaland, D (1976). ”Graphite-liquid-vapor triple point pressure and the density of liquid carbon”. Carbon 14 (6): sid. 357. doi:10.1016/0008-6223(76)90010-5. ISSN 0008-6223.
7. Savvatimskiy, A (2005). ”Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963–2003)”. Carbon 43 (6): sid. 1115. doi:10.1016/j.carbon.2004.12.027.
8. ”Technical data for Carbon” (på engelska). periodictable.com. http://periodictable.com/Elements/006/data.html. Läst 4 november 2015.
9. David R. Lide (red.): Properties of the Elements and Inorganic Compounds, sid. 4:135, i: CRC Handbook of Chemistry and Physics, uppl. 90 (internetversion: 2010), CRC Press / Taylor and Francis.
10. ”Fourier Transform Spectroscopy of the System of CP”. Arkiverad från originalet den 16 februari 2008. https://web.archive.org/web/20080216090126/http://bernath.uwaterloo.ca/media/36.pdf. Läst 6 december 2007.
11. ”Fourier Transform Spectroscopy of the Electronic Transition of the Jet-Cooled CCI Free Radical”. Arkiverad från originalet den 16 februari 2008. https://web.archive.org/web/20080216090130/http://bernath.uwaterloo.ca/media/42.pdf. Läst 6 december 2007.
12. ”Carbon: Binary compounds”. http://www.webelements.com/webelements/elements/text/C/comp.html. Läst 6 december 2007.
13. Properties of diamond, Ioffe Institute Database
14. ”Arkiverade kopian”. Arkiverad från originalet den 17 augusti 2016. https://web.archive.org/web/20160817183304/https://www.nde-ed.org/GeneralResources/MaterialProperties/ET/ET_matlprop_Misc_Matls.htm. Läst 4 november 2015.
15. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds Arkiverad 12 januari 2012 hämtat från the Wayback Machine., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
16. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. De angivna värdena har här räknats om enligt SI.
17. Simon MD, Geim AK (2000): Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87, S. 6200–6204 (doi:10.1063/1.372654).
18. Royal Society of Chemistry – Visual Element Periodic Table
19. – Online Etymological Dictionary
20. ”History of Carbon and Carbon Materials - Center for Applied Energy Research - University of Kentucky”. Caer.uky.edu. Arkiverad från originalet den 1 november 2012. https://web.archive.org/web/20121101085829/http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml#. Läst 12 september 2008.
21. Senese, Fred (9 september 2000). ”Who discovered carbon?”. Frostburg State University. http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/inorganic/faq/discovery-of-carbon.shtml. Läst 24 november 2007.
22. Anders Lennartsson, Periodiska systemet, Studentlitteratur, 2011
23. ”The Nobel Prize in Physics 2010” (på amerikansk engelska). NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/9434-pressmeddelande-nobelpriset-i-fysik-2010/. Läst 31 oktober 2023.

Källor

• Nationalencyklopedin 11. Bra Böcker. 1989. sid. 161. ISBN 91-7024-621-1
• Sherwood, Martin (1990). Kemin, Grundämnen & föreningar. Bonniers. sid. 32. ISBN 91-34-50893-7
• Alhgren, Lena (1995). Bonniers Lexikon. Bonnier Lexikon AB. sid. 130. ISBN 91-632-0046-5

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rör Kol.
  Bilder & media
• Wiktionary har ett uppslag om kol.
  Ordbok