Karbon

 
Pendahuluan
Karbon adalah salah satu unsur yang terdapat dialam dengan symbol dalam sistem peridoik adalah “C”. Nama “carbon” berasal dari bahasa latin “carbo” yang berarti “coal” atau “charcoal”. Istilah “coal” menyatakan sediment berwarna hitam atau coklat kehitaman yang bersifat mudah terbakar dan terutama memiliki komposisi utama belerang, hydrogen, oksigen, dan nitrogen.
Karbon memiliki nomor atom 6 dan nomor massa 12,011, terletak pada golongan 4A atau 14 dan terdapat dalam periode 2 dan blok p. Konfigurasi electron atom karbon adalah 1s2 2s2 2p2 atau [He] 2s2 2p2 dengan susunan electron dalam kulit atomnya adalah 2 4 (lihat gambar disamping). Jumlah tingkat energinya adalah 2, dimana tingkat pertama terdapat 2 elektron dan tingkat kedua terdapat 4 elektron.
Karbon merupakan unsur ke-19 yang paling banyak terdapat di kerak bumi yaitu dengan prosentase berat 0,027%, dan menjadi unsur paling banyak ke-4 terdapat jagat raya setelah hydrogen, helium, dan oksigen. Ditemukan baik di air, darat, dan atmosfer bumi, dan didalam tubuh makhluk hidup. Karbon membentuk senyawaan hampir dengan semua unsur terutama senyawa organic yang banyak menyusun dan menjadi bagian dari makhluk hidup.
Sumber Karbon

Karbon terdapat tidak hanya dibumi akan tetapi dijagat raya sebagai bagian dari matahari, bintang, planet, komet, dan atmosfer planet. Diatmosfer bumi diperkirakan terdapat CO2 sebanyak 810 gigaton dan sekitar 36000 gigaton terlarut dalam air yang ada dibumi. 1900 gigaton terdapat dalam biosfer. Hidrokarbon seperti coal, petroleum, dan gas alam menyumbang sekitar 900 gigatin dan 150 gigaton terdapat dalam cadangan minyak bumi.
Sumber karbon yang lain adalah dalam mineral karbonat sepeti limestone, dolomite, dan marble dan coal menjadi salah satu sumber karbon yang terpenting dimana anthracite mengandug 92-98% karbon. Selain itu sumber karbon yang lain adalah grafit dan diamond.
Biosfer, Lautan, dan Atmosfer
Terdapat dalam bentuk CO dan CO di atmosfer bumi, dalam tubuh makhluk hidup dibiosfer dan lautan berkisar 0,45×10¹⁸ Kg
Organik Karbon
Terdapat dalam hidrokarbon, petroleum, natural gas sekitar 13,2×10¹⁸ Kg
Batuan Karbonat (Limestone-dolomit-marble)
Terdapat dalam bentuk limestone, dolomit, marbel, dll Limestone merupakan batuan sediment yang komposisi utamanya adalah kalsium karbonat CaCO3. Dolomit merupakan batuan sediment karbonat dan mineral yang komposisi utamanya adalah  magnesiumkalsium karbonat CaMg(CO3)2. Marble merupakan batuan metaforfosis yang dihasilkan dari proses metamorfosis limestone , dolomite, atau seperntine.
Coal
Coal adalah sediment berwarna hitam atau coklat kehitaman yang bersifat mudah terbakar dan terutama memiliki komposisi utama belerang, hydrogen, oksigen, dan nitrogen. Antrasite adalah jenis coal dengan kandungan karbon yang tinggi dan sedikit ketidakmurnian sekitar 92-98%
Grafit
Grafit adalah salah satu bentuk alotrop dari karbon dan biasa dipakai untuk tinta dan pengisi pensil. Karbon merupakan coal dengan kemurnian yang sangat tinggi diatas antrasite.
Berlian/Diamond
Diamond adalah salah satu bentuk alotrop karbon dimana struktur atom C tersusun sebagai kubus berpusat muka diamond lebih stabil dibandingkan grafit, memiliki kekerasan yang tinggi dan konduktifitas yang besar
Cara Membuat Karbon

Produksi Diamond
Sampai tahun 1955 diamond merupakan produk alam yang belum dapat diproduksi oleh manusia. Berbagai macam cara dicari untuk membuat diamond dengan berbagai macam penelitian dan sampai pada akhir tahun tersebut akhirnya sintesis diamond dapat dilakukan, dimana sejumlah industri membuat diamond dari grafit dengan temperatur dan tekanan tinggi dan sampai sekarang menjadi barang produksi masal yang sangat bagus marketnya.
kristal diamond dibuat dari karbon tetrahedra seperti kristal silikon. Proses pembuatan diamond salah satunya menggunakan teknik ” High Pressure High Temperature (HPHT)”, warna dari diamond sintesis ini umumnya kuning akibat impuritas dari nitrogen. Beberapa warna lain seperti pink, biru, atau hijau disebabkan penambahan boron.
Metode yang popular yang lain adalah menumbuhkan diamon sintesis dengan cara deposisi kimia uap atau biasa disebut sebagai chemical vapor deposition (CVD). Pertumbuhan ini terjadi pada tekanan rendah dibawah tekanan atmosfer dengan melibatkan pemasukan campuran gas methana dan hidrogen dengan perbandingan 99:1 dalam suatu reaktor dan kemudian mensplit keduanya sehingga menjadi radikal dalam lingkungan plasma dengan bantuan gelombang mikro. Kristal diamond akan terbentuk  dengan ketebalan beberapa milimeter hingga ketebalan yang diinginkan.
Pembuatan Karbon
Karbon terdapat dialam sebagai grafit . Grafit buatan dengan mereaksikan coke dengan silica (SiO2) dengan reaksi sebagai berikut:

SiO2 + 3C (2500°C) ? “SiC” ? Si (g) + C(graphite)

Karbon juga dapat dibuat dari pembakaran hidrokarbon atau coal, atau yang lainnya dengan kondisi udara yang terbatas sehigga terjadi pembakaran yang tidak sempurna.
Sifat Karbon
Sifat Fisika

• Fasa pada suhu kamar                   : padat
• Densitas                                               : 2,267 g/cm3 (grafit) 3,515 g/cm3 (diamond)
• Titik sublimasi                           : 3642 C
• Tripel point                                           : 4327 C
• Panas Fusi                                            : 117 kJ/mol
• Kalor jenis                                            : 8,517 J/molK (grafit) 6,155 J/molK (diamond)

Sifat Kimia

• Bilangan oksidasi                                  : 4,3,2,1,0,-1,-2,-3,-4
• Elektronegatifitas                                  : 2,55 (skala pauli)
• Energi ionisasi ke-1                               : 1086 kJ/mol
• Energi ionisasi ke-2                               : 2352,6 kJ/mol
• Energi ionisasi ke-3                               : 4620,5 kJ/mol
• Jari-jari kovalen                                    : 77(sp3) 73(sp2) 69(sp) pm
• Jari-jari VanderWaals                           : 170 pm
• konduktifitas termal                               : 119-165 (grafit) 900-2300 (diamond) W/mK
• Struktur kristal                          : heksagonal

Sifat Kimia Yang Lain
Bentuk Alotrop
Alotrop adalah sifat sejumlah tertentu unsur dimana unsur ini mampu berada dalam dua tau lebih bentuk, pada setiap alotrop atom-atom unsur tersebut berikatan dengan cara yang berbeda  sehingga membentuk modifikasi struktur yang berbeda pula. Berbagai macam alotrop karbon adalah:
Diamond
Diamond adalah salah satu contoh alotrop yang terbaik dari karbon dan memiliki nilai ekonomi yang tinggi, dimana sifatnya yang keras dan memiliki optikal optis sehingga banyak dipakai dalam berbagai industri dan untuk bahan baku perhiasan. Diamond menjadi mineral alami terkeras yang pernah ada, tidak ada unsur alam yang dapat memotong diamond maupun menarik (merenggangkan) diamond.
Setiap karbon yang terdapat dalam diamond berikatan secara kovalen pada empat atom karbon yang lain dalam bentuk geometri tetrahedarl. Dan tetrahedarl ini membentuk 6 cincin karbon seperti sikloheksana dalam bentuk konformasi “kursi” sehingga hal ini mengakibatkan tidak adanya sudut ikatan yang mengalami ketegangan. Jalinan struktur kovalen yang stabil inilah membuat sifat diamond menjadi keras.
Panjang ikatan tunggal pada diamond adalah 0,154 nm. Dengan struktur kristal kubus perbusat muka dan densitasnya sekitar 3,51 g/cm3. Diamond yang murni memiliki indeks refraktori sebesar 2,465 pada 397 nm, 2.427 at 527 nm, 2.417 at 589 nm, 2.408 at 670 nm, and 2.402 at 763 nm.
Grafit
Grafit merupakan alotrop karbon. Tidak seperti diamond grafit bersifat konduktor sehingga dapat dipakai untuk elektroda dalam proses elektrolisis. Sifat daya hantar ini disebabkan grafit memiliki elektron dalam orbital pi yang terdelokalisasi dibawah dan diatas bidang karbon.Ikatan yang terdapat dalam grafit adalah sp2 dengan bentuk datar/plane dengan sudut 120 derajat.  Elektron ini dapat bergerak bebas sejauh dalam lapisan karbon.
Grafit lebih reaktif dibandingkan dengan karbon, disebabkan reaktan dapat menetrasi diantara lapisan heksagonal grafit. Tidak bereaksi dengan asam encer atau basa dan dapat dioksidasi oleh asam kromat menjadi CO2.
Grafit tidak mencair akan tetapi mengalami sublimasi pada suhu 3500 C. Kristal grafit memiliki dua bentuk yaitu alfa-grafit dengan bentuk heksagonal dan beta grafit dengan bentuk rombohedral.
Grafena
Grafena merupakan lapisan tunggal dari grafit dengan ikatan karbon sp2 membentuk susunan seperti sarang lebah (monolayer grafit). Ikatan karbon-karbon memiliki panjang 0,142 nm. Grafena merupakan struktur dasar dari grafit, karbon nano, dan fuleren, dan dapat didiskripsikan sebagai lapisan  molekul aromatic.

Karbon Amorfos
Karbon amorfos atau disebut sebagai karbon reaktif, merupakan alotop karbon dimana tidak memiliki struktur kristalin. Karbon amorfos biasa disingkat sebagai aC untuk karbon amorfos yang biasa, aC:H untuk karbon amorfos yang terhidrogenasi, dan ta-C untuk tetrahedral karbon amorfos (seperti diamond). Dalam bidang mineralogy, karbon amorfos  biasa digunakan untuk istilah coal dan jenis karbon yang tak murni selain grafit dan diamond.

Fuleren
Fuleren merupakan molekul yang keseluruhannya dibangun oleh atom karbon dalam bentuk hollow, bulatan (sphere), ellipsoidal, atau tube. Fuleren yang berbentuk spherical disebut buckyballs, dan yang berbentuk silinder disebut sebagai karbon nanotube atau buckytubes. Fuleren memiliki struktur seperti grafit akan tetapi hanya dibangun dari grafena yang saling berhubungan satu sama lain. Penemuan fuleren menjadikan alotrop karbon semakin bervariasi dan menjadi subyek penelitan yang penting untuk elektronik, ilmu bahan, dan nanoteknoligi.

Kereaktifan Kimia Karbon
Pada suhu yang tinggi karbon bereaksi dengan oksigen membentuk CO dan CO2, dimana karbon juga dapat mereduksi senyawaan oksida logam menjadi logamnya. Reaksi ini dipakai untuk mengurangai dan mengontrol kandungan karbon dalam industri baja.

Fe3O4 + 4 C(s) ? 3 Fe(s) + 4 CO(g)

Dengan unsur belerang karbon bereaksi membentuk sulfide, dan bereaksi dengan uap air membentuk CO dan gas H2.

C(s) + H2O(g) ? CO(g) + H2(g).

Karbon juga bereaksi dengan unsur logam pada temperature tinggi untuk membentuk logam karbida seperti besi karbida, tungsten karbida yang dipakai dalam peralatan pemotong.
Isotop Karbon
Karbon memiliki dua isotop yang stabil yaitu ¹²C dengan kelimpahan 98,93% dan ¹³C dengan kelimpahan 1,07%. IUPAC telah menggunakan isotop ¹²C untuk menentukan berat atom unsur dalam sistem periodic. Isotop ¹⁴C terdapat dialam dan bersifat sebagai radioaktif dengan kelimpahan hanya sampai 0.0000000001%,  terdapat sekitar 15 isotop karbon dan yang memiliki waktu paruh terpendek adalah 8C dengan waktu paruh 1.98739×10?21 s. Berapa isotop karbon ditunjukkan dalam tabel.

Manfaat Karbon
Karbon menjadi unsur yang memiliki banyak manfaat didunia ini. Berbagai macam aplikasinya baik dalam bentuk senyawaan maupun dalam bentuk unsur memiliki banyak manfaat. Untuk karbon dalam bentuk senyawaan adalah sebagai sumber makanan untuk kelangsungan makhluk hidup di bumi, kita tahu bahwa berbagai mcam makanan yang kita konsumsi adalah tersusun atas karbon. Hidrokarbon yang merupakan senyawaan karbon dan hydrogen dipakai untuk bahan bakar, petroleum dipakai untuk produksi gasoline dan kerosin. Celulosa merupakan polimer yang mengandung karbon dalam bentuk katun, wool, linen, dan sutra dipakai sebagai bahan pakaian. Plastik merupakan sintetik polimer karbon dengan banyak manfaat penggunaan.

• Karbon dapat membentuk alloy atau paduan logam dengan besi yang membentuk baja.
• Grafit digunakan dengan campuran tanah liat / clay untuk bahan dasar pensil untuk menulis atau menggambar. Grafit juga dipakai sebagai pelumas dan pewarna, elektroda dalam industri elektrolisis dan baterai, dan sebagai moderator neutron dalam reactor nuklir.
• Charcoal banyak dipakai untuk materi pengisi pensil ataupun untuk industri smelting besi, dan banyak dipakai sebagai bahan bakar untuk mendukung industri yang lain seperti pembangkit listrik tenaga uap.
• Diamond dipakai untuk perhiasan karena memiliki daya jual yang tinggi, dipakai sebagai alat penggiling, pemotong, dan alat untuk memoles untuk mesin atau batu-batuan.
• Karbon hitam dipakai sebagai pigmen dalam tinta, cat, dan dipakai juga sebagai pengisis dalam industri ban dan plastic.
• Charcoal aktif dipakai sebagai absorben dan adsorben yang banyak dipakai dalam pemurnian air, dan masker penutup hidung.
• Karbon dipakai sebagai agen pereduksi dalam berbagai reaksi kimia pada suhu yang sangat tiggi.
• Coke dipakai untuk mereduksi oksida besi menjadi besi dalam industri peleburan besi.
• Senyawa karbida dari silicon, tungsten, boron, dan titanium memiliki kekerasan yang tinggi dan dipakai dalam perlatan penggiling dan sebagai abrasive dalam berbagai macam industri.

Senyawaan Karbon
Karbon dapat membentuk berbagai macam senyawaan dan sebagaian besar dapat digolongkan menjadi 3 golongan senyawa karbon yaitu senyawa organic, senyawa anorganik, dan senyawa organometalik.
Senyawa Organometalik
Senyawa organometalik adalah ilmu yang mempelajari senyawaan kimia yang terdiri dari ikatan karbon dengan logam. Senyawa organometalik disebut juga sebagai organo-anorganik atau metalo-organik dan metalorganik. Contoh senyawa organometalik adalah nikel tetrakarbonil dan ferocena yang merupakan senyawa organic dengan logam transisi. Contoh lain adalah reagen Grignard contohnya MeMgI, Et2Mg, dan lithium dimethylcuprate (Li+[CuMe2]–).
Ikatan karbon dengan logam dalam senyawa organometalik umumnya bersifat sebagian ionic dan sebagian kovalen. Jika ikatan logam-C bersifat ion maka hal ini disebabkan karena logam yang dipakai sangat bersifat elektropositif seperti logam alkali, atau ada dalam bentuk karbanion. Sedangakn sifat ionic ikatan logam-C dalam logam transisi dan metalloid sangat rendah tergantung dari elektronegatifitas logam itu sendiri. Sifat ionic dan kovalen ikatan logam-C amat penting disebabkan ini memerankan peranan dalam kestabilan didalam larutan.
Organometalik memiliki peranan yang penting dalam sintesis kimia dan katalis. Sepeerti tetra etil lead (TEL) dipakai sebagai anti knocking dalam gasoline akan tetapi sekarang banyak diganti oleh ferosena atau methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl. Organometalik dari litium atau seng bersifat basa dan bersifat sebagai reduktor dan banyak dipakai dalam sintesis kimia organic. ButilLitium (gambar) adalah contoh organometalik yang banyak dipakai dalam sintesis. Organometalik terlibat dalam reaksi-reaksi penting sebagai berikut:

• Eleminasi dan adisi oksidatif
• Transmetliasi
• Karbometilasi
• Hidrometilasi
• Transfer electron
• Beta eleminasi hidrida
• Reaksi substitusi organometalik
• Siklometilasi
• Reaksi Migrasi-Pemasukan
• Aktivasi ikatan karbon-hidrogen.

Senyawa Anorganik Karbon
Terdapat banyak sekali berbagai macam senyawa karbon yang tidak tergolong dalam seyawa organic dan kumpulan senyawa ini digolongkan dalam senyawa anorganik. Terdapat banyak jenis oksida karbon (oksokarbon) dimana yang paling terkenal adalah CO dan CO2, beberapa senyawa oksida karbon yang tidak cukup terkenal adalah karbon suboksida C3O2 dan melitik anhidrida C12O9, terdapat juga oksida yang tidak stabil seperti dikarbon oksida C2O, oksalat anhidrida C2O4, dan karbon trioksida CO3.
Beberapa senyawa karbon dengan nonlogam adalah

• Karbon disulfide CS2 dan Karbonil Sulfida COS
• Beta karbon nitril (?-C3N4)
• Karbon tetraflourida CF4, karbon tetrabromida CBr4, karbon tetraklorida CCl4, dan karbon tetraiodida CI4
• Karbonil flourida COF2
• Karborana seperti H2C2B10H10

Terdapat beberapa oksoanion yaitu ion negative yang hanya mengandung karbon dan oksigen. Yang paling terkenal adalah oksalat C2O4^2- dan karbonat CO3^2-. Asam dari dua anion ini tidak stabil yaitu H2CO3 dan H2C2O4 yang dapat terprotonasi membentuk ion bikarbonat HCO3- da hydrogen oksalat HC2O4-. Beberapa anion oksoanion yang lain meluputi asetelindikarboksilat (O2C-C?C-CO22-), melitat C12O9^6-, skuarat C4O4^2- , dan rhodizonate(C6O6^2-).
Beberapa senyawa karbonat yang peting adalah Ag2CO3, BaCO3, CaCO3, CdCO3, Ce2(CO3)3, CoCO3, Cs2CO3, CuCO3, FeCO3, K2CO3, La2(CO3)3, Li2CO3,MgCO3, MnCO3, (NH4)2CO3, Na2CO3, NiCO3, PbCO3, SrCO3, dan ZnCO3.
Bikarbonat yang penting adalah include NH4HCO3, Ca(HCO3)3, KHCO3, dan NaHCO3.
Oksalat yang penting Ag2C2O4, BaC2O4, CaC2O4, Ce2(C2O4)3, K2C2O4, dan Na2C2O4.
Karbonils merupakan kompleks antara logam transisi dengan ligan karbonil. Logam karbonil adalah kompleks antara logam dengan molekul netral CO. Dimana membentuk ikatan kovalen. Senyawa karbonils antara lain Cr(CO)6, Co2(CO)8, Fe(CO)5, Mn2(CO)10, Mo(CO)6,Ni(CO)4, W(CO)6.
Senyawa dengan gugus CN disebut sebagai sianida, sianat, tiosianat, dan isosianat. Contoh senyawanya adalah NH4SCN, CaNCN, Co(SCN)2, CuCN, (HCNO)x NH2CN HCNO, (CN)2, BrCN, ClCN, HCN, KOCN, KCN, K3Fe(CN)6, K4Fe(CN)6, KSCN,Fe4(Fe(CN)6)3, AgCN, NaOCN, NaCN, Na3Fe(CN)5NO, NaSCN, (SCN)2.
Karbida merupakan merupakan kompleks karbon dengan unsur yang kurang bersifat elektronegatif dengan karbon dan yang paling umum adalah Al4C3 B4C, CaC2, Fe3C,HfC, SiC, TaC, TiC, dan WC.
Senyawa Organik
Senyawa organic merupakan istilah yang dipakai untuk menunjukkan senyawa yang terdiri dari karbon dan hydrogen, beberapa senyawa lain yang mungkin terdapat dala senyawa organic diantaranya nitrogen, fosfor, belerang, dan oksigen. Senyawa organic dapat dibedakan menjadi beberapa cara diantaranya senyawa organic alami dan senyawa organic sintesis. Senyawa organic juga dapat dibedakan atas ada tidaknya atom lain atau heteroatom, organometalik yaitu senyawa organic yang berikatan dengan logam, dan organofosfor yaitu yang juga berikatan dengan fosfor.
Senyawa Organik Alami
Menunjukkan senyawa organic yang berasal dari hewan atau tumbuhan. Biasa diekstrak dari bahan alaminya hal ini disebabkan untuk membuat artificial dari senyawa ini memiliki biaya produksi yang mahal. Sebagai contoh gula, beberapa alkaloid, dan terpenoid, antigen, karbohidrat, enzyme, hormone, lipid, asam lemak, neurotransmitter, protein, asam amino, vitamin, dan lemak.
Senyawa Organik Sintesis
Senyawa yang diperoleh dengan cara reaksi kimia dan dihubungkan dengan istilah sintetik. Bisa jadi senyawa sintetik ini adalah senyawa yang sudah diketemukan di dalam tumbuhan atau hewan atau yang tidak terdapat secara alami. Senyawa ini bisa berupa polimer dan plastic.
Senyawa organic meliputi golongan yang cukup besar dimana beberapa golonga tersebut adalah:

• Alkana
• Alkena
• Alkuna
• Senyawa aromatic
• Alkohol
• Ester
• Asam karboksilat
• Amida
• Eter
• Karbohidrat
• Lemak dan asam lemak
• Senyawa polifenol
• Senyawa karetenoid
• Dll