Hur väl känner du till det periodiska systemet? Vår serie Elementen utforskar de grundläggande byggstenarna i det observerbara universum – och deras betydelse för ditt liv – en efter en.
Det kan vara glittrande och hårt. Det kan vara mjukt och fjälligt. Den kan se ut som en fotboll. Kol är ryggraden i allt levande – och ändå kan det orsaka slutet på livet på jorden som vi känner det. Hur kan en kolklump och en glänsande diamant bestå av samma material? Här är åtta saker som du förmodligen inte visste om kol.
1. DET ÄR LIVETS ”DUCT TAPE”
Det finns i alla levande varelser, och i en hel del döda varelser. ”Vatten må vara universums lösningsmedel”, skriver Natalie Angier i sin klassiska introduktion till vetenskap, The Canon, ”men kol är livets tejp”. Kol är inte bara en tejp, det är också en jäkligt bra tejp. Det binder atomer till varandra och bildar människor, djur, växter och stenar. Om vi leker med det kan vi locka fram det till plaster, färger och alla möjliga kemikalier.
2. DET ÄR ETT AV DE MEST FÖRHÅLLANDE ELEMENTEN I UNIVERSUMET.
Det sitter precis högst upp i det periodiska systemet, inkilat mellan bor och kväve. Atomnummer 6, kemiskt tecken C. Sex protoner, sex neutroner, sex elektroner. Det är det fjärde vanligaste grundämnet i universum efter väte, helium och syre, och 15:e i jordskorpan. Medan dess äldre kusiner väte och helium tros ha bildats under Big Bang-strålens tumult, tros kolet härstamma från en ansamling av alfapartiklar i supernovaexplosioner, en process som kallas supernova-nukleosyntes.
3. DET ÄR NAMNAT EFTER KOL.
Människor har känt till kol som kol och – efter förbränning – sot i tusentals år, men det var Antoine Lavoisier som 1772 visade att det i själva verket var en unik kemisk enhet. Lavoisier använde ett instrument som fokuserade solens strålar med hjälp av linser som hade en diameter på cirka fyra fot. Han använde apparaten, som kallas solugn, för att bränna en diamant i en glasburk. Genom att analysera de rester som hittades i burken kunde han visa att diamanten enbart bestod av kol. Lavoisier förtecknade det för första gången som ett grundämne i sin lärobok Traité Élémentaire de Chimie, som publicerades 1789. Namnet kol kommer från franskans charbon, eller kol.
4. DET ÄLSKAR ATT BINDAS.
Det kan bilda fyra bindningar, vilket det gör med många andra grundämnen och skapar hundratusentals föreningar, varav vissa används dagligen av oss. (Plast, läkemedel, bensin, läkemedel, bensin!) Ännu viktigare är att dessa bindningar är både starka och flexibla.
5. NÄRA 20 procent av din kropp består av kol.
May Nyman, professor i oorganisk kemi vid Oregon State University i Corvallis, Oregon, säger till Mental Floss att kol har en nästan otrolig räckvidd. ”Det utgör alla livsformer, och när det gäller antalet ämnen som det bildar, fetter, sockerarter, finns det en enorm mångfald”, säger hon. Det bildar kedjor och ringar, i en process som kemister kallar kateterisering. Varje levande varelse bygger på en ryggrad av kol (med kväve, väte, syre och andra element). Så djur, växter, alla levande celler och naturligtvis människor är en produkt av katetensbildning. Våra kroppar består av 18,5 viktprocent kol.
Och ändå kan det också vara oorganiskt, säger Nyman. Det samarbetar med syre och andra ämnen för att bilda stora delar av den livlösa världen, som stenar och mineraler.
6. VI UPtäckte två nya former av kol först nyligen.
Kol finns i fyra huvudformer: grafit, diamanter, fullerener och grafen. ”Strukturen styr kolets egenskaper”, säger Nyman. Grafit (”skrivstenen”) består av löst sammankopplade skivor av kol som är formade som kycklingtråd. Att skriva något med penna är egentligen bara att skrapa lager av grafit på papper. Diamanter däremot är tredimensionellt sammanlänkade. Dessa exceptionellt starka bindningar kan endast brytas med hjälp av en enorm mängd energi. Eftersom diamanter har många av dessa bindningar gör det dem till det hårdaste ämnet på jorden.
Fullerener upptäcktes 1985 när en grupp forskare sprängde grafit med en laser och den resulterande kolgasen kondenserades till tidigare okända sfäriska molekyler med 60 och 70 atomer. De namngavs till ära av Buckminster Fuller, den excentriske uppfinnaren som berömt skapade geodetiska kupoler med denna fotbollsliknande sammansättning. Robert Curl, Harold Kroto och Richard Smalley fick 1996 års Nobelpris i kemi för att ha upptäckt denna nya form av kol.
Den yngsta medlemmen i kolfamiljen är grafen, som upptäcktes av en slump 2004 av Andre Geim och Kostya Novoselov i ett improviserat forskningsstopp. Forskarna använde scotch tape – ja, verkligen – för att lyfta upp kolplattor som var en atom tjocka från en grafitklump. Det nya materialet är extremt tunt och starkt. Resultatet: Nobelpriset i fysik 2010.
7. DIAMANTER KALLAS INTE ”ICE” PÅ GRUND AV DETTA UTSEENDE.
Diamanter kallas ”is” eftersom deras förmåga att transportera värme gör att de känns svala vid beröring – inte på grund av deras utseende. Detta gör dem idealiska som värmesänkor i mikrochips. (Syntetiska diamanter används oftast.) Återigen spelar diamanternas tredimensionella gitterstruktur in. Värme omvandlas till gittervibrationer, vilket är orsaken till diamanternas mycket höga värmeledningsförmåga.
8. DET HELPER OSS ATT BESTÄMMA ARTIFIKATERS ÅLDER – OCH BEVISA ATT EN DEL AV DEM ÄR FALSKA.
Den amerikanska forskaren Willard F. Libby fick Nobelpriset i kemi 1960 för att ha utvecklat en metod för att datera fornlämningar genom att analysera mängden av en radioaktiv underart av kol som finns i dem. Radiokarbon- eller C14-datering mäter sönderfallet av en radioaktiv form av kol, C14, som ackumuleras i levande organismer. Den kan användas för föremål som är så mycket som 50 000 år gamla. Koldioxiddatering hjälpte till att bestämma åldern på Ötzi the Iceman, ett 5300 år gammalt lik som hittades fruset i Alperna. Den fastställde också att Lancelots runda bord i Winchesterkatedralen tillverkades hundratals år efter den förmodade arthuriska tidsåldern.
9. FÖR MYCKET AV DET FÖRÄNDRAR VÅR VÄRLDEN.
Koldioxid (CO2) är en viktig del av en gasformig filt som omsluter vår planet och gör den tillräckligt varm för att upprätthålla livet. Men vid förbränning av fossila bränslen – som är uppbyggda på en kolstomme – frigörs mer koldioxid, vilket är direkt kopplat till den globala uppvärmningen. Ett antal sätt att avlägsna och lagra koldioxid har föreslagits, bland annat bioenergi med avskiljning och lagring av koldioxid, vilket innebär att man planterar stora trädbestånd, skördar och förbränner dem för att skapa elektricitet och avskiljer den koldioxid som bildas i processen och lagrar den under jord. En annan metod som diskuteras är att på konstgjord väg göra haven mer basiska för att låta dem binda mer koldioxid. Skogarna är naturliga kolsänkor, eftersom träden fångar upp koldioxid under fotosyntesen, men mänsklig verksamhet i dessa skogar motverkar och överträffar de vinster vi kan göra när det gäller att fånga upp koldioxid. Kort sagt har vi ännu ingen lösning på det överflöd av C02 som vi har skapat i atmosfären.