Hvor godt kender du det periodiske system? Vores serie Elementerne udforsker de grundlæggende byggesten i det observerbare univers – og deres relevans for dit liv – en efter en.
Det kan være glitrende og hårdt. Det kan være blødt og skællet. Det kan ligne en fodbold. Kulstof er rygraden i alt levende – og alligevel kan det måske være årsag til, at livet på Jorden, som vi kender det, er slut. Hvordan kan en klump kul og en skinnende diamant være sammensat af det samme materiale? Her er otte ting, du sikkert ikke vidste om kulstof.
1. DET ER LIVETS “DUCT TAPE TAPE.”
Det findes i alle levende væsener og i en hel del døde væsener. “Vand er måske universets opløsningsmiddel”, skriver Natalie Angier i sin klassiske introduktion til videnskaben, The Canon, “men kulstof er livets gaffatape”. Ikke alene er kulstof gaffatape, det er også en helvedes god gaffatape. Det binder atomer til hinanden og danner mennesker, dyr, planter og klipper. Hvis vi leger med det, kan vi lokke det til at lave plastik, maling og alle mulige kemikalier.
2. DET ER ET AF DE MEST OVERDÅDIGE ELEMENTER I UNIVERSET.
Det sidder helt i toppen af det periodiske system, klemt inde mellem bor og kvælstof. Atomnummer 6, kemisk tegn C. Seks protoner, seks neutroner og seks elektroner. Det er det fjerde hyppigste grundstof i universet efter hydrogen, helium og oxygen og det 15. i jordskorpen. Mens dets ældre fætre hydrogen og helium menes at være blevet dannet under Big Bang’s tumult, menes kulstof at stamme fra en ophobning af alfapartikler i supernovaeksplosioner, en proces, der kaldes supernova-nukleosyntese.
3. DET ER OPNØMT EFTER KUL.
Mens menneskene har kendt kulstof som kul og – efter afbrænding – som sod i tusindvis af år, var det Antoine Lavoisier, der i 1772 viste, at det faktisk var en unik kemisk enhed. Lavoisier brugte et instrument, der fokuserede solens stråler ved hjælp af linser, som havde en diameter på omkring fire fod. Han brugte apparatet, der kaldes en solovn, til at brænde en diamant i en glaskrukke. Ved at analysere de rester, der blev fundet i glasset, kunne han vise, at diamanten udelukkende bestod af kulstof. Lavoisier opregnede det første gang som et grundstof i sin lærebog Traité Élémentaire de Chimie, der blev udgivet i 1789. Navnet kulstof stammer fra fransk charbon, eller kul.
4. DET ELSKER AT BINDES.
Det kan danne fire bindinger, hvilket det gør med mange andre grundstoffer og skaber hundredtusindvis af forbindelser, hvoraf nogle af dem bruger vi dagligt. (Plastik! Medicin! Benzin!) Endnu vigtigere er det, at disse bindinger er både stærke og fleksible.
5. NÆSTEN 20 procent af din krop består af kulstof.
May Nyman, professor i uorganisk kemi ved Oregon State University i Corvallis, Oregon, fortæller til Mental Floss, at kulstof har en næsten utrolig rækkevidde. “Det udgør alle livsformer, og i antallet af stoffer, som det danner, fedtstoffer, sukkerstoffer, er der en enorm mangfoldighed,” siger hun. Det danner kæder og ringe i en proces, som kemikere kalder katenation. Alle levende væsener er bygget op på en rygrad af kulstof (med nitrogen, hydrogen, oxygen og andre elementer). Så dyr, planter, alle levende celler og naturligvis også mennesker er et produkt af katenation. Vores kroppe består af 18,5 vægtprocent kulstof.
Og alligevel kan det også være uorganisk, siger Nyman. Det går sammen med ilt og andre stoffer og danner store dele af den livløse verden, som f.eks. sten og mineraler.
6. VI OPDAGEDE TO NYE FORMER AF DET KUN FOR NYT.
Kulstof findes i fire hovedformer: grafit, diamanter, fullerener og grafen. “Strukturen styrer kulstoffets egenskaber”, siger Nyman. Grafit (“skrivestenen”) består af løst forbundne plader af kulstof, der er formet som hønsetråd. At skrive noget med blyant er faktisk bare at ridse lag af grafit på papir. Diamanter derimod er forbundet tredimensionalt. Disse usædvanligt stærke bindinger kan kun brydes ved hjælp af en enorm mængde energi. Fordi diamanter har mange af disse bindinger, gør det dem til det hårdeste stof på Jorden.
Fullerener blev opdaget i 1985, da en gruppe forskere sprængte grafit med en laser, og den resulterende kulstofgas kondenserede til hidtil ukendte kugleformede molekyler med 60 og 70 atomer. De blev opkaldt til ære for Buckminster Fuller, den excentriske opfinder, som er berømt for at have skabt geodætiske kupler med denne fodboldlignende sammensætning. Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley modtog Nobelprisen i kemi i 1996 for at have opdaget denne nye form for kulstof.
Det yngste medlem af kulstoffamilien er grafen, der tilfældigt blev fundet i 2004 af Andre Geim og Kostya Novoselov under et improviseret forskningsjammer. Forskerne brugte scotch tape – ja, virkelig – til at løfte kulstofplader med en tykkelse på et atom fra en klump grafit. Det nye materiale er ekstremt tyndt og stærkt. Resultatet: Nobelprisen i fysik i 2010.
7. DIAMANTER KALDER IKKE “IS” PÅ GRUND AF DERES UDSEENDE.
Diamanter kaldes “is”, fordi deres evne til at transportere varme gør dem kølige at røre ved – ikke på grund af deres udseende. Det gør dem ideelle til at blive brugt som køleplader i mikrochips. (Der anvendes for det meste syntetiske diamanter.) Igen spiller diamanternes tredimensionelle gitterstruktur en rolle. Varme omdannes til gittervibrationer, som er ansvarlige for diamanternes meget høje varmeledningsevne.
8. DET HJÆLPER OS TIL AT BESTEMME ARTIFIKTERS ÆLDRIGHED – OG BEVISER, AT NOGLE AF DEM ER FALSK.
Den amerikanske videnskabsmand Willard F. Libby fik Nobelprisen i kemi i 1960 for at udvikle en metode til at datere levn fra oldtiden ved at analysere mængden af en radioaktiv underart af kulstof i dem. Radiokulstof- eller C14-datering måler henfaldet af en radioaktiv form af kulstof, C14, som ophobes i levende væsener. Den kan bruges til genstande, der er helt op til 50.000 år gamle. Kulstofdatering har hjulpet med at bestemme alderen på Ötzi the Iceman, et 5300 år gammelt lig, der blev fundet frosset i Alperne. Det blev også fastslået, at Lancelots runde bord i Winchester Cathedral blev fremstillet flere hundrede år efter den formodede Arthurian Age.
9. FOR MEGET AF DET FORANDRER VORES VERDEN.
Koldioxid (CO2) er en vigtig del af et gasformigt tæppe, der er svøbt omkring vores planet, og som gør den varm nok til at opretholde livet. Men ved afbrænding af fossile brændstoffer – som er bygget på en kulstofrygrad – frigives der mere kuldioxid, hvilket er direkte forbundet med den globale opvarmning. Der er blevet foreslået en række måder at fjerne og lagre kuldioxid på, herunder bioenergi med kulstofopsamling og -lagring, som indebærer, at man planter store træbevoksninger, høster og brænder dem for at skabe elektricitet og opfanger den CO2, der opstår i processen, og lagrer den i undergrunden. En anden metode, der diskuteres, er at gøre havene kunstigt mere basiske for at lade dem binde mere CO2. Skove er naturlige kulstofdræn, fordi træerne opfanger CO2 under fotosyntesen, men menneskelig aktivitet i disse skove modvirker og overgår enhver CO2-opfangningsgevinst, som vi kan opnå. Kort sagt har vi endnu ikke en løsning på det overskud af C02, som vi har skabt i atmosfæren.