คุณสมบัติและประโยชน์ของธาตุคาร์บอน
คาร์บอน ( Carbon) เป็นธาตุในตารางธาตุที่มีสัญลักษณ์ C และเลขอะตอม 6 เป็นธาตุอโลหะ
ที่มีอยู่มากในธรรมชาติ มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน เท่ากับ 4 และมีหลายอัญรูป คือ
1. เพชร (แร่ธาตุที่แข็งที่สุด) โครงสร้างยึดเหนี่ยว 4 อิเล็กตรอนใน sp3-orbital แบบ 3 มิติ
2. แกรไฟต์ (หนึ่งในสารที่อ่อนที่สุด) โครงสร้างยึดเหนี่ยว 3 อิเล็กตรอนใน sp2-orbital 2 มิติ
และ 1 อิเล็กตรอนใน p-orbital
3. ฟูลเลอไรต์ (หรือ ฟูลเลอรีน) คือโมเลกุลขนาดนาโนเมตร ในรูปแบบที่เรียบง่าย คาร์บอน 60
อะตอมจะเรียงตัวคล้ายกับชั้นแกรไฟต์ ซึ่งงอตัวจนเป็นโครงสร้างสามมิติที่คล้ายกับลูกฟุตบอล
คาร์บอนมี 3 ไอโซโทป (ธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน และเลขมวลต่างกัน ) คือ
คาร์บอน - 12 คาร์บอน - 13 และ คาร์บอน - 14 ในธรรมชาติจะพบ คาร์บอน - 12 จำนวนมากถึง
98.9 % คาร์บอน - 13 จำนวน 1.1 % และพบ คาร์บอน - 14 จำนวนน้อยมาก โดยในต้นไม้ที่ยังมี
ชีวิตอยู่ เราจะพบว่าจำนวนอะตอมของ C -14 : จำนวนอะตอมของ C -12 จะเท่ากับ 1:1 ล้านล้าน
คาร์บอน - 12 และ คาร์บอน - 13 เป็นไอโซโทปที่เสถียร ส่วนคาร์บอน-14 เป็นไอโซโทป
กัมมันตรังสี
ภาพไอโซโทปของคาร์บอน (ที่มา http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html )
คาร์บอน - 14
คาร์บอน-14 เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ระหว่างอนุภาคนิวตรอนที่ได้จากรังสีคอสมิก กับ
อะตอมของธาตุไนโตรเจน ในชั้นบรรยากาศ ดังสมการ
เนื่องจากคาร์บอน-14 เป็นธาตุกัมมันตรังสี เมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสลายกัมมันตรังสีให้อนุภาคบีตา และเปลี่ยนตัวเองเป็นอะตอมของไนโตรเจน-14 ดังสมการ
เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
หลังจากนั้นคาร์บอน-14 ก็จะรวมตัวกับออกซิเจนในบรรยากาศกลายเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์แล้วแพร่กระจายลงมายังบรรยากาศชั้นล่าง และเข้าสู่สิ่งมีชีวิตโดยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และการกินพืชเป็นอาหาร นอกจากนั้นยังแพร่กระจายลงสู่ทะเลและมหาสมุทร และอยู่ในรูปของสารประกอบไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต
ภาพ รูปของสารประกอบ ไบคาร์บอเนต และคาร์บอเนต (ที่มา http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003z.html )
การสลายตัวของ คาร์บอน-14
การเกิดและการสลายกัมมันตรังสีของคาร์บอน-14 นั้น เป็นไปอย่างต่อเนื่อง เมื่อระยะเวลาผ่าน
ไปเนิ่นนานทำให้อัตราการเกิดคาร์บอน-14 เท่ากับอัตราการสลายกัมมันตรังสีของมัน นั่นก็หมายความว่า
ปริมาณคาร์บอน-14 ต่อกรัมของคาร์บอน มีค่าคงที่ตลอดเวลา ทั้งในบรรยากาศ น้ำ หรือสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย
การใช้ คาร์บอน-14 หาอายุของวัตถุโบราณ
เมื่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายตายไป การแลกเปลี่ยนคาร์บอน-14 ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับชั้นบรรยากาศสิ้นสุดทำให้ปริมาณคาร์บอน-14 ที่มีอยู่เดิมลดจำนวนลงไปเรื่อย ๆ อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี จากกฎการสลายกัมมันตรังสีของธาตุกัมมันตรังสี สามารถคำนวณหาเวลาตั้งแต่สิ่งมีชีวิตนั้นตายไปจนกระทั่งถึงปัจจุบัน (ปี) โดยทั่วไปการหาอายุโดยวิธีนี้ สามารถหาอายุได้ในช่วง 200 ถึง 50,000 ปี ซึ่งตัวอย่างที่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ไม้ ถ่าน เปลือกหอย กระดูก และพีต เป็นต้น สำหรับตัวอย่าง หิน แก้ว เครื่องปั้นดินเผา ไม่สามารถนำมาหาอายุโดยวิธีนี้ได้
เทคโนโลยีคาร์บอน-14 หาอายุของวัตถุโบราณ
ธาตุ C -14 มีครึ่งชีวิต (half life) เท่ากับ 5,730 ปี ซึ่งหมายความว่าภายในเวลา 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่มีในวัตถุ จะสลายตัว และอีก 5,730 ปี ครึ่งหนึ่งของอะตอม C -14 ที่เหลือซึ่งก็คือ 1 ใน 4 ของของเดิมจะสลายตัว เป็นเช่นนี้ไปทีละครึ่งของ ที่มีในทุก 5,730 ปี จนกระทั่งอะตอมของ C -14สลายตัวหมด และเพราะเหตุว่าความร้อน ความเย็น หรือความดันใดๆ ไม่สามารถ ชะลอหรือเร่งเวลาในการสลายตัวของอะตอมเหล่านี้ได้เลย ดังนั้นการรู้อัตราการสลายตัวของ C -14 ที่มีในวัตถุ จะทำให้นักวิทยาศาสตร์คำนาณหาอายุของวัตถุนั้นได้ทันที
เครื่องมือที่ใช้ในการวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14
มี 2 แบบ คือเครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส (Gas Proportional Counter)
เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลว (Liquid Scintillation Counter)
1. เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วนในแก๊ส จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ในรูปของแก๊ส
เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สมีเทน หรือแก๊สอะเซทิลีน
2.เครื่องนับรังสีแบบแสงวับในของเหลวนั้น จะต้องเปลี่ยนคาร์บอนให้อยู่ในรูปของสารประกอบ
เบนซีน ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการเคมีอยู่ 3 ขั้นตอน คือการเปลี่ยนคาร์บอนในตัวอย่างให้อยู่ใน
รูปแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ การเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแก๊สอะเซทิลีน และการเปลี่ยน
แก๊สอะเซทิลีนเป็นสารประกอบเบนซีน หรือทำการดูดซับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงด้วย
สารละลายที่เป็นด่าง การหาอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14 จำเป็นต้องวัดกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน-14
ในตัวอย่างเปรียบเทียบกับกัมมันตภาพรังสีของสารมาตรฐาน โดยทั่วไปสารมาตรฐานที่นิยมใช้อยู่ใน
ปัจจุบัน คือ กรดออกซาลิก และ ANU Sucrose
จากกฎการสลายของธาตุกัมมันตรังสี สามารถนำมาใช้ในการหาอายุของวัตถุโบราณ ดังแสดงในสมการ
เมื่อ 
คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาเริ่มต้น
คือ กัมมันตภาพรังสีที่เวลาใด ๆ
t คือ อายุ (ปี)
ปริมาณตัวอย่างที่ใช้สำหรับการกำหนดค่าอายุด้วยวิธีคาร์บอน-14
ตัวอย่าง ปริมาณตัวอย่าง (กรัม)
ถ่าน 10-20
ไม้ 20-30
เปลือกหอย 50-100
กระดูก 500 -1000
คาร์บอเนต 50-60
สมบัติทั่วไปของธาตุคาร์บอน
ชื่อ คาร์บอน
สัญลักษณ์ C
หมายเลข 6
อนุกรมเคมี อโลหะ
หมู่, คาบ, บล็อก 4, 2, p
ลักษณะ ดำ (แกรไฟต์) ไม่มีสี (เพชร)
มวลอะตอม 12.0107 (8) กรัม/โมล
การจัดเรียงอิเล็กตรอน 1s2 2s2 2p2
อิเล็กตรอนต่อระดับพลังงาน 2, 4
สถานะ ของแข็ง
โครงสร้างผลึก หกเหลี่ยม
สถานะออกซิเดชัน 4, 2 (กรดอ่อนออกไซด์)
อิเล็กโตรเนกาติวิตี 2.55 (พอลิงสเกล)
พลังงานไอออไนเซชัน ระดับที่ 1 1086.5 กิโลจูล/โมล
ระดับที่ 2 2352.6 กิโลจูล/โมล
ระดับที่ 3 4620.5 กิโลจูล/โมล
รัศมีอะตอม 70 pm
รัศมีอะตอม (คำนวณ) 67 pm
รัศมีโควาเลนต์ 77 pm
รัศมีวานเดอร์วาลส์ 170 pm
การจัดเรียงทางแม่เหล็ก ไดอะแมกเนติก
เลขทะเบียน CAS 7440-44-0
ตัวอย่างวัตถุโบราณ ตรวจหาอายุโดยใช้ คาร์บอน-14
1.โครงกระดูกโบราณ
2. มัมมี่
3.เปลือกหอย
อ้างอิง
http://www.sahavicha.com/?name=knowledge&file=readknowledge&id=2663
ความเห็น (6)
ชอบCarbon ที่มีโครงสร้างยึดเหนี่ยว = 4 มีอิเล็กตรอนใน SP 3 Orbital มากค่ะ
เพราะมีคุณค่า ทางใจ + ทางเศรษฐกิจ + ความแข็งแกร่งเป็นเลิศ ==> เพชร สุดยอด ของแร่ธาตุ
ขอบคุณมาก สำหรับบทความดีดีนี้ค่ะ
ขอบคุณสำหรับความคิดเห็นมากๆนะค่ะ ^^
ธาตุคาร์บอนในแต่ละรูปแบบก็มีประโยชน์และความสำคัญในแต่ละด้านแตกต่างกันไปนะค่ะ แต่คิดว่าใครๆก็น่าจะชอบคาร์บอนที่เป็นเพชรกันนะค่ะ (รวมถึงตัวดิฉันด้วยค่ะ) ^_^
เม็ดคาร์บอนกรองน้้ำที่ปลี่ยนออกจากเครื่องกรองน้ำ นำไปปลูกต้นได้ไหมครับ มีทดลองเอาไปโรยกระถางต้นไม้ แต่ต้นไม้กลับไม่งาม น่าจะเกิดจากคาร์บอนหรือไม่ เพราะิะไร โรยคลุมดินในกระถางต้นไม้อีกทีพืชไม่ได้รับออกซิเจนหรือเปล่า ขอถามผู้รู้ครับ
คร๊ๆ..........☺☺