تحتوي ذرة الكربون على ستة إلكترونات تحيط بنواة فيها ستة بروتونات، وعادةً ستة نيوترونات. وتُقاس ذرة الكربون بالطريقة نفسها التي تُقاس بها ذرة الهيدروجين في المستكشف، أي بضعف المسافة التي يرجح أن توجد عندها أبعد إلكترونات الذرة عن النواة. وبهذا القياس يبلغ قطر ذرة الكربون نحو 0.13 نانومتر، أي 130 بيكومترًا. والنانومتر جزء من مليار من المتر، والبيكومتر جزء من ألف من النانومتر.
الحجم
ليس للذرة شكل أو حجم صلب محدد، ولذلك توجد طرق عدة لتعريف حجمها، وتعطي كل طريقة رقمًا مختلفًا. والرقم المعروض هنا مصدره حسابات تحدد المواضع التي يرجح وجود الإلكترونات فيها. يبقى إلكترونان من إلكترونات الكربون الستة قريبين من النواة، وتقع الإلكترونات الأربعة الأخرى أبعد منها، كما يبيّن رسم المستكشف. ويرجح وجود الإلكترونات الخارجية الأربعة على بعد نحو 65 بيكومترًا من النواة، ما يجعل قطر الذرة نحو 130 بيكومترًا.
وفي حالة الذرات داخل الجزيئات، يستخدم الكيميائيون كثيرًا مقياسًا مختلفًا. فنصف القطر التساهمي هو نصف المسافة بين مركزي ذرتين مرتبطتين. تبعد ذرتا كربون مرتبطتان برابطة أحادية إحداهما عن الأخرى 154 بيكومترًا في المتوسط، ولذلك يبلغ قطر ذرة الكربون بهذا المقياس نحو 150 بيكومترًا.
أما نصف قطر فان دير فالس فيقيس بدلًا من ذلك مدى اقتراب ذرتين منفصلتين إحداهما من الأخرى قبل أن تدفع كل منهما الأخرى بعيدًا. وبهذا المقياس يبلغ قطر ذرة الكربون نحو 340 بيكومترًا.
مقارنات الحجم
- يبلغ عرض ذرة الكربون نحو 1.2 مرة عرض ذرة هيدروجين، التي يبلغ قطرها 106 بيكومترات بالمقياس نفسه.
- يبلغ عرض الحلزون المزدوج في دنا نحو 2 نانومتر، أي ما يعادل عرض نحو 15 ذرة كربون.
- لو وُضعت نحو 600,000 إلى 800,000 ذرة كربون جنبًا إلى جنب لامتدّت على عرض شعرة الإنسان.
- لو جرى تكبير ذرة كربون إلى حجم كرة السلة، التي يبلغ قطرها نحو 24 سنتيمترًا، لبلغ عرض شعرة الإنسان نحو 150 إلى 185 كيلومترًا.
كيف ترتبط ذرات الكربون معًا
تميل ذرات الكربون إلى تكوين أربع روابط، ويمكن أن ترتبط بعضها ببعض في سلاسل بأطوال مختلفة كثيرة. وهذه القدرة على تكوين سلاسل بأطوال متعددة هي سبب كون الكربون أساسيًا للحياة. وتقرّب الرابطة الثنائية ذرتي الكربون إحداهما من الأخرى أكثر مما تفعل الرابطة الأحادية، إلى 134 بيكومترًا، وتقرّبهما الرابطة الثلاثية إلى 120 بيكومترًا.
يوجد الكربون النقي في عدة أشكال، منها الألماس والجرافيت والغرافين. الألماس صلب بما يكفي لقطع الصخر، بينما الجرافيت طري. والغرافين صفيحة من ذرات الكربون سمكها ذرة واحدة فقط، ترتبط ذراتها في نمط من السداسيات يشبه شبك الدجاج السلكي.
رؤية ذرات الكربون المفردة
ذرات الكربون المفردة أصغر بكثير من أن يظهرها مجهر ضوئي، لكنها شوهدت بالمجاهر الإلكترونية. في عام 2008 استخدم باحثون في مختبر لورنس بيركلي الوطني مجهر TEAM 0.5 لالتقاط صور تُظهر كل ذرة كربون في صفيحة غرافين. والغرافين هش، ولذلك استخدموا حزمة إلكترونات أخف وأقل طاقة، وظلت قادرة مع ذلك على تمييز تفاصيل تبعد إحداها عن الأخرى 1 أنغستروم (100 بيكومتر).
وزن الذرات
ويحدد الكربون أيضًا المعيار الذي تُوزن به الذرات. فمنذ عام 1960 صار كربون-12، وهو شكل الكربون ذو ستة نيوترونات، المرجع للكتل الذرية. والوحدة المستخدمة، وهي الدالتون، تُعرَّف بأنها جزء من اثني عشر من كتلة ذرة كربون-12. وحوالي 99% من الكربون على الأرض هو كربون-12.
المصادر
- Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
- Carbon: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
- Carbon. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
- Electronic Structure of Atoms (Electron Configurations). In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- Strengths of Ionic and Covalent Bonds. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- Hydrocarbons. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
- DNA Structure and Sequencing. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
- Closest Look Ever at Graphene: Stunning Images of Individual Carbon Atoms From TEAM 0.5 Microscope. Lawrence Berkeley National Laboratory, 2008.
- The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- Atomic Weight of Carbon. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- The International System of Units (SI). 9th edition, version 4.01. BIPM, 2026.
- Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.