Elmas ve Grafit Arasındaki Fark NE ?

Pırıl pırıl parlayan bir elmas ile kurşun kalem ucu arasındaki ortak nokta nedir? Elmas son derece sert bir maddedir, kurşun kalem ucunu oluşturan grafit ise oldukça yumuşaktır. Bu iki farklı madde gerçekte mucizevi bir yaratılış delilinde buluşurlar: Karbon

İşlenmemiş ham elmas tüm minerallerin, tüm malzemelerin sertlik şampiyonudur. (L. Vlasanov & D. Trifonov, 107 stories About Chemistry, Mir Publishers, 1977) Bu nedenle kristal elmas, her türlü malzemeyi kesme, delme ve düzlemede, aşındırıcı olarak kullanılır.

Sertlik; minerallerin dıştan gelen kuvvetlerle çizilmeye karşı gösterdiği dirençtir. Mineralleri sertlikleri yardımıyla tanıma kolaylığı vardır. Bir mineral diğeri ile çizdirilerek izafi sertlik değeri belirlenebilir. Tüm minerallere sertliklerini belirlemek amacıyla puanlama yapan bilim adamları, elmasa 10 üzerinden 10 puan vermeyi suygun bulmuşlardır. Peki, elması bu kadar sert yapan nedir?

Kurşun kalemlerde kullandığımız kırılgan ve yumuşak grafit uç ile elmasın aynı atomlardan oluşması oldukça dikkat çekicidir. Grafit de tıpkı elmas gibi karbon atomlarından oluşur. Ne var ki, biri oldukça yumuşakken, diğeri alabildiğine serttir. Biri kara bir kömür parçası gibiyken, diğeri pırıl pırıl bir yüzeye sahip olabilmektedir. Biri doğada son derece bol bulunurken, diğerine rastlamak çok zordur. Tüm bu nedenlerden dolayı elmas, grafit ile kıyaslanamayacak maddi bir değere sahiptir. Peki, karbon atomu, nasıl olup da birbirinden bu kadar farklı iki kimliğe bürünebilmektedir?

Canlılığın Temeli Karbon Atomları Elmasa Değer Biçiyor

Bu farklılıktan önce, elması oluşturan karbon atomlarından bahsedelim. Karbon atomu, canlılar için son derece önemlidir. İngiliz kimyager Nevil Sidgwick de, Chemical Elements and Their Compounds (Kimyasal Elementler ve Bunların Bileşikleri) adlı eserinde bunu şöyle vurgular:

Karbon, yapabildiği bileşiklerin sayısı ve çeşitliliği yönünden, diğer elementlerden tamamen farklı, özgün bir yapıdadır. Şimdiye dek karbonun yarım milyonun üzerinde farklı bileşiği ayrılmış ve tanımlanmıştır. Ama bu bile karbonun güçleri hakkında çok yetersiz bir bilgi verir, çünkü karbon tüm canlı maddelerin temelini oluşturur. (Nevil V.Sidgwick, The Chemical Elements and Their Compounds, vol.1, Oxford: Oxford University Press, 1950, s.490)

Karbonun, sadece hidrojen ile kurduğu farklı bağlar, “hidrokarbonlar” olarak bilinen büyük bir aileyi meydana getirir. Bu aile içinde; doğal gaz, sıvı petrol, gaz yağı, kerosen ve çeşitli makine yağları vardır. Etilen ve propilen olarak bilinen hidrokarbonlar, petrokimya endüstrisinin temelidir. Başka hidrokarbonlar da benzin, toluen ve turpentin gibi bileşikler meydana getirir. Giysilerimizi güvelenmekten koruması için dolaplara konulan naftalin, bir başka hidrokarbon türüdür. Klor veya florla birleşen hidrokarbonlar; anestezi maddeleri, yangın söndürücüler ve buzdolaplarında kullanılan freonlar gibi farklı maddeleri oluşturur.

İşte, elması elmas yapan karbon, böylesine önemli bir atomdur. Elmasın kristal yapısı, kristal dünyasındaki en mükemmel örnektir ve bir benzeri daha yoktur. Karbon atomları, elmas kristallerinde elmasa sertlik özelliğini kazandıracak ideal bir geometrik düzen içindedirler. Grafit de karbondan oluşur; ancak atomları elmastaki gibi bir düzen ile sıralanmaz. Bu durum, bilim adamları tarafından allotropi olarak adlandırılır.

Allotropi Kavramı

Bir elementin atomlarının uzayda farklı farklı şekillerde dizilmesiyle oluşan yapıya allotropi denir. Bu olayı gerçekleştiren atomlara da allotrop atomlar denir. Bu olayı şöyle de örnekleyebiliriz:

Bir tuğla fabrikasından, üç ayrı parti halinde 10.000’er tane tuğla alalım ve bu tuğlalar birbirinin aynısı olsun. Bu tuğlaları üç ayrı ustaya verelim. Ustalar, birbirinden bağımsız, istedikleri gibi birer duvar yapsınlar.

Acaba bu duvarlar birbirinin aynısı mıdır?

Duvarların sağlamlıkları aynı mıdır?

Tuğlaların sanatsal dizilişleri aynı mıdır?

Bu soruların cevapları evet ise allotrop duvarlar oluşmamış demektir. Cevaplar hayır ise allotrop duvarlar oluştu diyebiliriz.

Oksijen gazı ile Ozon gazı, oksijen atomlarının allotroplarıdır.

Elmas, Grafit ve Amorf karbon, karbon atomunun allotroplarıdır.

Beyaz Fosfor ile Kırmızı Fosfor, fosfor atomunun allotroplarıdır.

Rombik kükürt ile Monoklin kükürt de kükürtün allotroplarıdır.

Allotrop Atomların Özellikleri:

•    Atom ve kütle numaraları aynıdır.

•    Molekül geometrileri farklıdır.

•    Kimyasal tepkimeye girme istekleri farklıdır; ancak tepkime sonunda oluşturdukları bileşikler aynıdır.

•    Molekül sağlamlıkları farklıdır.

Karbon allotropları

Ana madde Karbon Allotropları

Karbonun bazı allotropları: a) elmas; b) grafit; c) altıgen elmas; d-f) fullerenler (C60, C540, C70); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp.
Karbonun bazı allotropları: a) elmas; b) grafit; c) altıgen elmas; d-f) fullerenler (C60, C540, C70); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp.

Amorf karbon (kömür)

Amorf yapı, belirli bir kristal yapısı olmayan yani atomların serbest dağılımda yerleştiği yapılara denir. Amorf yapıdaki karbon atomlarına kömür denir. Bitkiler öldükten sonra mikroorganizmaların faaliyetleriyle değişime uğrar. Eğer ölü bitkiler uygun bataklık ortamlarda birikip, çökelir ve jeolojik hâdiselerle yer altına gömülürlerse, bu değişme neticesi bünyelerindeki C (karbon) miktarı artar ve kömürleşme başlar. Kömürler, içindeki karbon nispetine göre çeşitli sınıflara ayrılır. C miktarı % 60 ise turba, % 70 ise linyit, % 80–90 ise taş kömürü, % 94 ise antrasit adını alır. Jeolojik olarak bu süreç, 345 milyon yıl ile 15 milyon yıl arasında değişmektedir. Kömür, en yaygın enerji kaynaklarından biridir.

Grafit

Grafitte karbon atomları altıgen (hegzagonal) kristal yapı meydana getirecek şekilde dizilmiştir. Bal peteği yüzey düzlemine benzeyen bu yapıların (levhaların) üst üste dizilmeleri neticesinde grafit meydana gelir. Bu levhalar birbirlerine kuvvetli bağlarla bağlı olmadıklarından bir güç uygulandığında birbirleri üzerinde kolayca kayar. Grafitin makine sanayinde yağlayıcı olarak yaygın bir şekilde kullanımı bu yüzdendir. Kurşun kalemlerin içindeki uç da, içine kil katılarak biraz sertleştirilmiş grafittir. Grafit çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir; bu sebeple demir-çelik sanayinde, her türlü izabe (metal ergitme) işlemlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca çok iyi bir elektrik iletkenidir. Bu sebeple, çamaşır makinesi ve elektrikli süpürge gibi ev âletlerindeki elektrik motorlarının fırçaları grafitten yapılır. Son dönemlerde, uzay kapsüllerinin ısı kalkanlarının yapımında da grafitten faydalanılmaktadır.

Elmas

Elmas, bilinen en sert tabiî maddedir. Renksiz ve saydam olmasına rağmen, başka minerallerle saflığı bozulduğu zaman, sarı, kahverengi gibi pastel renklerden mat siyaha kadar uzanan çeşitli renklerde bulunabilir. Elmas, mükemmel bir elektrik izolatörüdür ve ısı iletkenliği en yüksek maddedir. Bu özelliğinden dolayı zarar görmeden kesilebilir. Elmasta karbon atomları kübik kristal yapı meydana getirecek şekilde dizilmiştir. Karbon-karbon bağının olağanüstü dayanıklılığı ve ortaklaşa bağlarla kenetlenmiş yapısı, elmasın sert ve çevresi ile reaksiyona girmeme özelliğini sağlayan faktörlerdir. Ancak, havada 850 °C sıcaklıkta yanma gösterir. Elmasın içinde elmasın değerini düşüren yabancı atomlar da olabilir. Kaliteli tabiî elmasta 100.000 atom başına ancak 1 tane yabancı atom bulunur. Elmas, ziynet eşyalarından başka kesici, aşındırıcı ve delici maksatlarla; matkap ucu, cam kesici, sondaj delici kafası, torna tezgâhı kesici uçları, pikap iğneleri gibi pek çok endüstriyel âletlerde kullanılmaktadır. Elmas üretiminin % 75–80 kadarı bu sanayide kullanılmaktadır.

Karbondan kömür, grafit veya elmasın meydana gelmesi

Karbon esaslı organik bileşikler, milyonlarca yıl evvel yerkabuğunun hareketleri neticesinde yer altında kaldılar. Sıcaklık ve basıncın tesiri ile yer altındaki bu organik kütlelerde fizikî ve kimyevî değişmeler meydana gelir. Sıcaklık, basınç ve zamana bağlı olarak bu kütlelerden; sırasıyla, önceleri (turbadan-antrasit safhasına kadar) su ve su buharı, karbondioksit (CO2), oksijen (O2) ve en ileri basamaklarda hidrojen (H2) uzaklaşır. Önceleri turba olarak adlandırılan ama kömür sayılmayan bu organik madde; önce linyit, daha sonra alt bitümlü kömür, sonra taşkömürü, antrasit ve en sonunda şartlar uygun olursa grafite dönüşür.

Karbon atomlarının, kömürden elmasa giden yolda ilk durağı kömürdür. Daha düşük sıcaklık, basınç ve daha kısa süre kömür teşekkülü için yeterli iken grafitin oluşabilmesi için çok daha yüksek sıcaklık ve basınç ile daha uzun süre gerekmektedir. Elmasın, yerkabuğunun 150–200 kilometre kadar altındaki manto katmanında yaratıldığı tespit edilmiştir. Bu değerli maden daha sonra, volkanik kayalarla (kimberlit ve lamproit) yukarı taşınır. Bu kaya dünyanın yüzeyinde, baca veya koni şeklinde yığınlar hâlinde bulunur. Tabiî bir elmasın teşekkülü için yaklaşık olarak 2.400 derecelik sıcaklıkta 50.000 atmosferlik bir basınç olması ve 3 milyar yıl gibi uzun bir süre geçmesi gerekmektedir. Bu basınç dev Eyfel Kulesi’nin 12 cm² bir alana uyguladığı basınca denk düşmektedir. Bu muazzam basınç ve süre olmaksızın karbonun oluşturduğu madde grafitten başka bir şey olamaz.

Karbon atomlarının basınç ve sıcaklığın tesiriyle hangi şartlarda hangi yapısının kararlı olduğunu belirten elmas-grafit denge eğrisi incelendiğinde, düşük basınçlarda grafitin, yüksek basınçlarda ise elmasın daha kararlı hâlde olduğu, yani karbonun deney şartlarına göre elmas veya grafit hâlinde bulunabileceği görülmektedir. Grafitin elmasa dönüştürülmesi mümkündür; ancak termodinamik hesaplamalara göre en az 10.000 atmosfer basınç gerekmektedir.

İlk defa 1955 yılında 100.000 atmosfer basınç altında 2.500 °C sıcaklıkta ve krom katalizör kullanılarak sun’î elmas elde edilmiştir. Ancak parçalar genellikle küçük ve siyah renkli olmuş, çoğunlukla mücevher vasfı kazanmamıştır. 1962’de yapılan bir çalışmada ise 200.000 atmosfer basınç ve 5000 °C sıcaklıkta katalizörsüz olarak grafit elmasa dönüştürülmüştür.

Karbon ve insan benzerliği

Karbon atomunun kristal yapısına göre özellikleri, kullanım sahaları ve kıymeti değiştiği gibi, insanların da hayatı algılama tarzları ve bu hayatı yaşarken içinde yer aldıkları topluma ve o toplum içindeki yerlerine bağlı olarak kıymeti değişir. Karbonun elmas gibi bütün insanların gıpta ile baktığı değerler üstü bir kıymet kazanabilmesi için ağır şartlardan geçmesi gerekmektedir. Eğer karbon atomları “Ben bu kadar ağır şartlara dayanamam. Ama daha düşük sıcaklık, daha düşük basınç ve daha kısa bir süre olursa dayanırım.” derse o zaman grafit olmaktadır. Eğer “Grafitin meydana geldiği bu şartlar bile bize çok ağır gelir. Öyle sıkıntılara giremeyiz. Düzene ve nizama uyamayız.” derlerse o zaman da kömür olmaktadır. Elmas en emniyetli yerlerde muhafaza edilip, en değerli misafirlerin yanında takınılırken; grafit, endüstriyel bir malzeme olduğundan pek çok yerde kullanılmaktadır. Kömürün varacağı yer ise ancak ateştir. İnsanların durumu da karbon atomları gibidir. Her insan, maddesi itibariyle birbirinin aynısıdır. Ama insanların yer aldıkları saflara, tâbi oldukları düzene göre ötelerde durumları farklı farklı olacaktır. Kimi insanlar, Kudreti Sonsuz’dan gelen her şeyi hoş bilmiş, en ağır imtihanlarda bile sarsılmamış; yerini, mevkiini, safını terk etmemiş ve insanlık âleminin elmasları olmuşlardır. Kimileri de bu elmas ruhlu insanların peşinden gitmiş ve kabiliyet ve gayretleri nispetinde onlardan istifade etmişlerdir. Bu insanların ötelerdeki mükâfatı da, saf bağladıkları bu düzene göre olacaktır. Bir de herhangi bir düzen tanımayan, hayatlarını kendi keyiflerince nefislerinin esiri olarak geçiren insanlar vardır ki, bunların da varıp yaslanacakları yer, tıpkı kömür gibi, ateş olacaktır.

Hazırlayan

Atakan İLKBAL

Kaynaklar

– H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl ve R. E. Smalley (1985). “C60: Buckminsterfullerene”. Nature 318. DOI:10.1038/318162a0

– L. Vlasov, D. Trifonov, 107 Kimya Öyküsü, çev. Nihal Sarıer, TÜBİTAK Yy., Ankara, 2005.

– Bilim ve Teknik, sayı 222.

Atakan İLKBAL tarafından 5 makale yayınlandı.

Cevap bırakın