הוא נמצא בכל התרכובות האורגניות – וגם בשורה ארוכה של חומרים אחרים, מיהלומים ועד קליפות ביצים. הכירו את הפחמן, שבלעדיו לא היו חיים בכדור הארץ
הרבה יסודות נחוצים לחיים: לא נוכל לשרוד בלי לנשום חמצן, ובלי מים – שמורכבים ממימן וחמצן – נתייבש. אחד היסודות המרכזיים ביותר לחיים כפי שאנו מכירים אותם בכדור הארץ הוא הפחמן, המסומן בטבלה המחזורית באות C.
הפחמן הוא היסוד השישי בטבלה המחזורית. הוא אחד היסודות הנפוצים ביקום – הרביעי בשכיחותו אחרי מימן, הליום וחמצן – וגם בכדור הארץ הוא נפוץ למדי. מדובר באל-מתכת, כלומר יסוד שאין לו תכונות של מתכת כמו הולכה חשמלית. הוא נשאר מוצק בטמפרטורת החדר בכל צורותיו – ויש הרבה מהן.
לרשימת כל הכתבות הקוליות באתר
הצורות האלה, שנקראות אַלוֹטְרוֹפִּים, מורכבות כולן אך ורק מאטומי פחמן אך המבנה שלהן שונה. ביניהן נמצאים היהלום, שהוא החומר הקשה ביותר בטבע; גרפיט, שהוא דווקא רך מאוד ומוליך חשמל, ומשמש בין השאר לייצור עפרונות, ואפילו גרפן, שמורכב משכבה אחת בלבד של אטומי פחמן ולכן נחשב דו-ממדי. בל נשכח את הפולרנים (Fullerenes), שמזכירים בצורתם כדורגל, וכן ננו-צינורות פחמן ומבנים ננו-טכנולוגיים נוספים.
ייחודו של הפחמן נובע משתי תכונות עיקריות: הוא מסוגל ליצור קשרים עם ארבעה אטומים נוספים בו-זמנית, בעוד רוב היסודות קושרים פחות אטומים, וגם יכול ליצור שרשראות ארוכות ויציבות של אטומי פחמן הקשורים זה לזה. השילוב של שתי התכונות הללו מאפשר לפחמן ליצור מגוון עשיר במיוחד של תרכובות הכוללות שרשראות ארוכות של אטומי פחמן הקשורים לאטומים אחרים, בעיקר מימן, חמצן וחנקן.
החומרים המבוססים על שרשראות פחמן כאלה נקראים חומרים אורגניים. יש מיליוני חומרים כאלה בטבע, ולמעשה רוב התרכובות הידועות לאדם והקיימות בגופנו (חוץ ממים) הן תרכובות אורגניות.
כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומי פחמן אחרים. המבנה הגבישי של יהלום | איור: Science Photo Library
הבסיס לחיים
תרכובות אורגניות הן הבסיס לחיים בעולמנו. כל היצורים החיים מורכבים מתאים, והתאים מורכבים בעיקר ממים ומחומרים אורגניים. רשימת החומרים האורגניים כוללת בין השאר את הפחמימות, החלבונים, השומנים, הוויטמינים, השתנן שאנו מפרישים בשתן, חומצות הגרעין ובהן DNA ועוד.
עם זאת, בגוף יש גם חומרים אחרים. אחד המרכיבים העיקריים בשלד הוא בדרך כלל מינרל אנאורגני, כלומר שאינו אורגני – למשל מינרל סידני בשלד החיצוני של קונכיות או בעצמות של בעלי חוליות.
הקליפה של ביצי תרנגולת מורכבת בעיקר מתרכובת פחמן אנאורגנית, סידן פחמתי, CaCO3. גם הפחמן הדו-חמצני שאנו פולטים בתהליך הנשימה מכיל פחמן כמובן. הוא נפלט על ידי יצורים חיים שנושמים חמצן, ונצרך בידי אלה שעושים פוטוסינתזה, כמו צמחים. על כן גם הוא מרכיב חשוב לחיים, אף על פי שאינו אורגני.
אטומי הפחמן (כדורים שחורים) הם השלד של המולקולות האורגניות, למשל המוליך העצבי סרוטונין | איור: Scinece Photo Library
הבסיס לתעשייה
תרכובות אורגניות הן הבסיס העיקרי בימינו להפקת אנרגיה. נפט וגז טבעי הם תערובות של חומרים אורגניים, ואילו פחם מורכב ברובו הגדול מצורה אלוטרופית נוספת של היסוד פחמן. כל הדלקים האלה יכולים לשמש להפקת אנרגיה בתחנות כוח. פליטת פחמן דו-חמצני בתהליך השריפה של הדלקים הללו היא גורם מרכזי בשינוי האקלים המתרחש בימינו בהשפעת התיעוש האנושי.
בנוסף, מרבית תוצרי התעשייה הכימית הם תרכובות אורגניות ומבוססות פחמן. הם כוללים תרופות, שברוב המקרים הן חומרים אורגניים, דרך פולימרים ומוצרי פלסטיק בעלי אינספור שימושים וכלה במוצרי טקסטיל, קוסמטיקה ותמרוקים, היגיינה, דבקים, שמנים וחומרי סיכה, כולם מבוססים בעיקר על חומרים אורגניים.
גם הפלדה היא חומר מבוסס פחמן, והיא מתקבלת כשמוסיפים אותו לברזל באחוזים נמוכים, כדי להוסיף לו חוזק. כמו כן, בעבר השתמשו באבקת פחם, הדומה לפיח, להפקת דיו לקעקועים. קעקועים כאלה נמצאו למשל על עורו של אצי איש הקרח, שגופתו החנוטה השתמרה בקרח יותר מ-5,000 שנה.
שימוש נוסף שרווח בימינו בפחם הוא פחם פעיל: פחם שעבר עיבוד כך ששטח הפנים שלו יהיה גדול במיוחד. בעקבות זאת הוא סופח מצוין חומרים אחרים, כגון גזים רעילים, ולכן משתמשים בו במסננים של מסכות האב"כ, במערכות טיהור גזים ובמסנני מים. לעיתים רופאים גם נותנים לחולים שנחשפו לרעל לבלוע פחם פעיל, כדי שחלק מהחומר הקטלני ייספח לפחמן במקום להיספג בגוף. עם זאת, אל תנסו לאכול פחם פעיל בבית – זה עלול להיות מסוכן!
כל מוצרי הפלסטיק מבוססים על פולימרים - שרשראות פחמן. סלים וקערות בחנות | צילום: Science Photo Library
השעון של הפחמן
הפחמן מוכר לאנושות כבר משחר ההיסטוריה, אך לא פחות מכך הוא משמש לחקר ההיסטוריה. הסיבה היא שיש לו שלושה איזוטופים – כלומר אטומי פחמן שנבדלים זה מזה במספר הניטרונים בגרעין שלהם. השוני הזה משפיע על התכונות הגרעיניות של כל איזוטופ, אך התכונות הכימיות שלהם נותרות זהות.
איזוטופ הפחמן הנפוץ ביותר בטבע הוא פחמן-12, שקרוי כך משום שיש בגרעינו שישה פרוטונים ושישה ניטרונים. כ-99 אחוז מאטומי הפחמן הם כאלה. כאחוז אחד נוסף הוא פחמן-13, שגרעינו מכיל שבעה ניטרונים, ובנוסף יש כמות זעירה, כעשירית מיליארדית האחוז, של פחמן-14, שלו יש שמונה ניטרונים בגרעין.
לאיזוטופ הזה יש חשיבות רבה בארכיאולוגיה, שכן הוא רדיואקטיבי ובעל זמן מחצית חיים של כ-5,730 שנה – כלומר כל 5,730 שנה כמותו קטנה בחצי. מאחר שיצורים חיים מחליפים כל הזמן פחמן עם הסביבה, למשל אוכלים מזון ונושפים פחמן דו-חמצני, ריכוז הפחמן-14 בגוף זהה לריכוזו בסביבה. לאחר המוות ריכוזו בגוף מתחיל לרדת בהדרגה, ולכן לפי ריכוזו בדגימה אפשר לחשב את גילם של שרידים אורגניים שנמצאו בחפירות ארכיאולוגיות.
למשל בתארוך של קלף אפשר לגלות באמצעות ריכוז הפחמן-14 מתי נשחטה החיה שמעורה הכינו את הקלף. השיטה הזאת טובה לשרידים שגילם אינו עולה על 50 אלף שנה או למאובנים צעירים, ולכן היא אינה מעשית לשימושים גיאולוגיים אולם מועילה מאוד בארכיאולוגיה.
שיטה מצוינת לקביעת הגיל של חומרים ביולוגיים - תארוך בעזרת ריכוז פחמן-14 | צילום: Science Photo Library
הפחמן הסובב אותנו
המקור העיקרי לפחמן עבור התעשייה בימינו הוא כריית פחם. גם יהלומים וגרפיט מופקים במכרות. לעומת זאת, המקור העיקרי לפחמן עבור יצורים חיים נמצא באוויר – הפחמן הדו-חמצני, שהוא הגז הרביעי בשכיחותו באוויר (כ-0.04 אחוז).
צמחים וגם סוגים מסוימים של חיידקים ושל אצות קולטים בתהליך הפוטוסינתזה מים ופחמן דו-חמצני, והופכים אותו בעזרת אנרגיית השמש לחמצן וסוכרים – תרכובות פחמן אורגניות. התהליך הזה של הפיכת פחמן אנאורגני לתרכובות אורגניות נקרא קיבוע פחמן. הפוטוסינתזה חיונית לכל היצורים בכדור הארץ. הם משיגים פחמן אורגני ישירות באמצעותה, או בעקיפין באמצעות אכילת יצורים אחרים שעשו פוטוסינתזה.
מאז תחילת המהפכה התעשייתית חלה עלייה ניכרת בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה עקב שריפת הדלקים המוגברת. מאחר שהפחמן הדו-חמצני בולע חלק מהאנרגיה המוחזרת מכדור הארץ לחלל, העלייה בריכוזו עלולה להגביר את אפקט החממה ולהביא להתחממות כדור הארץ, בתהליך שמורגש כבר כיום. העלייה הזאת ושינויי האקלים שהיא מובילה הניעו בשנים האחרונות מאמצים ניכרים להקטנת הפליטה של פחמן דו-חמצני לאטמוספרה, במטרה להאט את ההתחממות.
הגרסה הפופולרית והיקרה של הפחמן היא היהלום. יהלומים מורכבים מסריג של אטומי פחמן – מבנה מחזורי שבו כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומי פחמן שכנים. מבנהו של היהלום מעניק לו תכונות רבות – למשל הוא מוליך החום הטוב ביותר והחומר הקשה ביותר בטבע. אין חומר אחר שמסוגל לחרוץ אותו פרט ליהלום אחר, ואילו הוא יכול לשרוט כל חומר אחר. בשל נדירותם, כמו גם הזוהר והברק שלהם, היהלומים נחשבו לאבני חן יקרות משחר ההיסטוריה.
יהלומים נוצרים בבטן האדמה כתוצאה מחום ולחץ גבוהים שמופעלים במשך זמן רב על פחמן. את התהליך הזה אפשר לשחזר במעבדה, ואכן מאז שפותח תהליך כזה ב-1954, שוק היהלומים המלאכותיים צמח מאוד. כיום הם משמשים בעיקר לתעשייה, שכן ברוב המקרים איכותם נמוכה מדי לאבני חן.
בעשורים האחרונים גם פותחה שיטה מעניינת לייצור יהלומים מלאכותיים בעזרת חומרי נפץ, שבמקרים רבים הם חומרים אורגניים, וחלקם פולטים פחמן במהלך הפיצוץ. בתנאים מסוימים אפשר לגרום לאטומי הפחמן הללו ליצור גבישי יהלום קטנטנים, בגודל של ננומטרים אחדים. לננו-יהלומים הללו יש שימושים תעשייתיים הולכים וגדלים.
