Den fenomenala kolkemin
Vi tittar på hur det här mångsidiga underverksgrundämnet kan bilda över nio miljoner olika kemiska bindningar.
Kol är så användbart och så viktigt att Royal Society of Chemistry kallar det ”kungen av grundämnen”. Det finns överallt och vi använder det till allt möjligt.
Kol finns på plats nummer sex i det periodiska systemet. Det har sex protoner, sex neutroner och sex elektroner. Två av dem fyller ett elektronskal alldeles vid kärnan, medan de fyra andra finns i ett halvtomt skal som ligger utanpå. De här yttre elektronerna, som kallas valenselektroner, är nyckeln till kolets fantastiska egenskaper.
Det är elektronerna i en atoms yttre skal som knyter kemiska bindningar. Hur många bindningar beror på hur mycket plats som finns i skalet, och det fina med kol är att det finns plats för fyra där. Det betyder att det utgör en fyrvägskoppling som knyter ihop olika atomer. Det kan bygga raka kedjor, kedjor med förgreningar och kedjor där ändarna kopplas ihop och bildar en ring. Och det länkar inte bara ihop sig med sig själv. Kanterna på kolkedjor kan sluta i små kväveatomer och bli oljehala. Eller så kan de länka ihop sig med andra grupper av grundämnen med sina egna kemiska egenskaper, något vi kallar funktionsgrupper.
Kol fungerar som en stomme för grundämnen och det skapar molekyler med olika former, storlekar och kemiska egenskaper.
En annan viktig sida hos kol är att det bildar bindningar som är starka, men inte obrytbara. Kolbaserade molekyler är tillräckligt stabila för att inte falla ifrån
varandra, men utsätts de för tillräckligt mycket energi kan de ombildas till något annat. Därför är kol den perfekta ryggraden för livets molekyler. Fett, kolhydrater, proteiner och nukleinsyra (DNA och RNA) är uppbyggt runt kol.
Det finns hundra biljarder ton kol på jorden idag, och alltsammans har existerat längre än solsystemet. Vår sol är barnbarn till de allra första stjärnorna i universum. Den föddes för ungefär 4,6 miljarder år sedan i ett moln av damm och gas från en supernovaexplosion. Dammet och gasen innehöll varenda kolatom som nu finns på vårt klot, och mycket mer än så.
Kol reagerar med syre och bildar koldioxid som fångar infraröd strålning. För mycket kol kan ge upphov till en ohejdad växthuseffekt som gör planeten obeboelig. Se bara på Venus – där är det 462 grader på ytan!
Som tur var blev inte jorden ett växthus, den blev en inkubator för kolbaserat liv. Och på ett underligt sätt har livet och jorden samarbetat för att hålla planeten så sedan dess. Kol är jordens termostat.
Jorden har ett långsamt kolkretslopp med 100 miljoner års omloppstid. Koldioxid i atmosfären reagerar med vatten och bildar kolsyra, som tär på bergarterna. Det frigör kalcium som har legat fångat där. Skalbildande organismer i jordens hav binder kalciumet med kolhaltiga joner och bildar kalciumkarbonat. När de dör och sjunker till botten blir lämningarna till kalkberg, och på så sätt binds kol under jorden. Långsamt återgår sedan det kolet till atmosfären när jordskorpan förskjuts och skälver. Vulkanaktivitet smälter berg och frigör mellan 130 och 380 miljoner ton kol i atmosfären varje år.
Vid sidan av det långsamma kretsloppet pågår ett långsamt kolkretslopp som styrs av växter. De tar upp koldioxid och använder energi från solljuset för att fånga kol i organiska molekyler. De molekylerna går sedan igenom näringskedjan där de blir till bladverk och kött, innan de släpps ut i luften igen som koldioxid. Kol har varit så fundamentalt för livet på jorden att ämnets existens nu för evigt är
”Kol utgör en fyrvägskoppling som knyter samman olika atomer.”
förbundet med levande väsen. Runt 80 procent av jordens bergsbundna kol är kalkberg som härstammar från skal och skelett från havsdjur. Merparten av det övriga existerar i fossila drivmedel som kol, olja och gas bildade av komprimerade lämningar av växter och djur.
Kolets historia är inpräglat i planetens sammansättning, men den historien är inte över ännu. Idag släpper vi ut ungefär 100 gånger mer koldioxid i atmosfären än vulkanerna, och det stör jordens termostat. Koldioxidnivån låg på 280 miljondelar för 150 år sedan, och nu ligger den på 412 miljondelar.
Det här fantastiska grundämnet har gjort jorden till det den är idag. Nu arbetas det snabbt för att hitta nya sätt att samarbeta med kolet så att framtiden kan säkras.