Uhlík

I.PSP

Protónové číslo: 6
Konfigurácia: (He)2s2 p2
Elektrónová konfigurácia: 1s22s22p2
Uhlík je prvok 4. skupiny.
Podľa najpravdepodobnejšej koncentrácie zaraďujeme uhlík na 17. miesto, t.j. za bárium, stroncium, síru, ale pred vanád, chlór a chróm.


II.CHARAKTERISTIKA

Je známy už od prehistorických dôb. Už človek starej doby kamennej poznal rôzne spôsoby zapálenia ohňa na princípe premeny práce na teplo. Poznal a používal uhlík vo forme drevného uhlia. Latinský aj náš názov tohto prvku je odvodený od slova uhlie (latinsky carbo).

Uhlík je dôležitý biogénny prvok, potrebný pre život všetkých organizmov. Rastliny ho prijímajú asimiláciou zo vzdušného oxidu uhličitého a budujú si z neho molekuly škrobu a cukru, živočíchy bielkoviny a tuky a čiastočne ho spaľujú v krvi ako potravu a oxid uhličitý vydychujú do ovzdušia.

Čistý uhlík poznáme v dvoch alotropických modifikáciách (diamant, grafit). Majú úple rozdielne vlastnosti. Diamant kryštalizuje v kubickej sústave, najčastejšie v osemstenoch. Diamanty sú alebo bezfarebné a priehľadné, alebo rôzne zafarbené, dobre lámu svetlo. Číre bezfarebné diamanty sa používajú ako drahokamy. Zvyčajne sa brúsia do tvaru briliantov. Diamant je najtvrdšia prírodná látka, no pri vyššej teplote zhorí na oxid uhličitý. V náleziskách tuhy (grafitu) uhlík kryštalizuje v šesťuholníkových šupinkách, ľahko štiepateľných pozdĺž vrstiev.


III.VÝSKYT

Prírodný uhlík sa skladá z 98,9% izotopu 12C, 1,1%13C, okrem toho obsahuje stopy rádioaktívneho izotopu 14C. Vyskytuje sa v prírode v rýdzom stave ako minerály tuha a diamant a v podobe rozmanitých organických látok - v uhlí, rope, zemnom plyne a v živých organizmoch.

Diamanty sa pôvodne ťažili v Indii, Brazílii, na Borneu. Po roku 1867 sa ich hlavným dodávateľom stala Južná Afrika, kde lovec pštrosov objavil diamantové pole na brehu Oranžovej rieky pri meste Kimberley. Diamanty sa tu uvoľňovali zvetraním materskej horniny "kimberlit", v ktorej pri vysokej teplote a vysokom tlaku vykryštalizovali. Diamanty sa ťažia aj v Jakutsku. Z anorganických zlúčenín uhlíka sú to predovšetkým uhličitany - vápenec, magnezit, dolomit - ktoré tvoria celé pohoria.


IV.VYUŽITIE

Tuha má rozsiahle praktické použitie. Používa sa na výrobu elektród, žiaruvzdorných téglikov, ktoré odolávajú pri tavení kovov vysokým teplotám, na výrobu ceruziek, mazadiel, na výrobu moderátorov pre jadrové reaktory. Pretože na priemyselné účely je prírodného grafitu málo, vyrába sa zahriatím uhoľného prachu na 3000C za neprístupu vzduchu.

Nepriesvitné diamanty (karbonádo) sa používajú na rezanie skla, kovov a kameňov. V roku 1954 sa podarilo pracovnej skupine Švédov a Američanov z General Electric pripraviť syntetické diamanty z parafínu za prítomnosti katalyzátorov pri teplote 2000 C a tlaku 7,08 MPa. Československo bolo piatym štátom na svete, kde sa začali vyrábať umelé diamanty.

Syntetické diamanty sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach. Diamantovými kotúčmi sa opracúvajú a brúsia nástroje pre obuvnícky priemysel, diamantovými nástrojmi sa brúsi sklo, televízne obrazovky. Diamantovou pílou sa reže betón, mramor a žula. Diamantové prášky a pasty sa uplatňujú v hodinárskom a strojárskom priemysle, v kozmickej a elektronickej výpočtovej technike.

Keď človek spoznal užitočnosť prírodných druhov uhlíka, pokúsil sa pripraviť tepelným rozkladom organických látok obsahujúcich uhlík bez prístupu vzduchu ďaľšie druhy mikrokryštalického grafitického uhlíka. V milieroch, dymiacich na pasekách hlbokých lesov sa pálilo drevné uhlie, ktoré sa používa na kúrenie. Maliari ho používajú pri skicovaní. Drevné uhlie na svojom veľkom povrchu pohlcuje zápachy tukov a jedovatých látok. Suchou detiláciou - zahrievaním bez prístupu vzduchu čiže karbonizáciou mení človek uhlie na koks, ktorý je potrebný na redukciu kovov z rúd v hutníckych peciach. Pri tomto procese vzniká koksárenský plyn, ktorý sa ako svietiplyn používal v minulosti na svietenie a vykurovanie. Spaľovaním koksárenského plynu ochudobneného o vodík a metán alebo z naftalínu sa vyrábajú sadze, ktoré sa používajú na prípravu černidiel, tušov a krému na topánky.

Suchou destiláciou kostí sa získava kostné uhlie, spodium, vhodné pri odfarbovaní tukov. Spálením krvi sa pripravuje živočíšne uhlie, ktoré sa používa pri zažívacích ťažkostiach. Z kôstok sliviek a zo škrupín kokosovývch orechov sa vyrába aktívne uhlie, ktoré má veľký absorpčný povrch pohlcuje škodlivé plyny z ovzdušia v protiplynových ochranných maskách.

Účinkom kozmických lúčov na vzdušný dusík nepretržite vzniká rádiouhlík 14C s polčasom rozpadu 5760 rokov. Stanovením pomeru 14C : 12C vo fosíliách možno určiť vek drevených predmetov. Vek fosílie možno touto rádiouhlíkovou metódou určiť asi do 50 000 rokov.


V.VLASTNOSTI

Uhlík má vysoké hodnoty ionizačných energií, jeho elektronegativita je 2,5. Vytvára kovalentné väzby: polárne a nepolárne, jednoduché (nasýtené), dvojité alebo trojité (nenasýtené). Vytvára pevné reťazce: priame, rozvetvené, cyklické. Počet uhlíkových atómov môže dosahovať aj niekoľko desiatok tisíc.


VI.ZLÚČENINY

Uhlík je nekov. Niekedy sa hovorí, že medzi prvkami má kráľovské postavenie. Toto označenie nezískal preto, že je ho v prírode najviac, ale preto, že vytvára veľké množstvo anorganických a omnoho väčšie množstvo organických zlúčenín a je základnou zložkou každého živého organizmu. Tieto zlúčeniny sa nachádzajú v litosfére, hydrosfére i atmosfére. V nerastnej ríši je uhlík viazaný najmä v uhličitanoch, z ktorých niektoré sú veľmi rozšírené, ako napr. vápenec CaCO3, magnezit MgCO3, dolomit CaCO3.MgCO3.

Na uhlík mimoriadne bohatými látkami v litosfére sú rôzne druhy uhlia. Inými, technicky významnými látkami s veľkým obsahom uhlíka sú ropa a zemný plyn. Tieto suroviny sú nielen zdrojom energie, ale aj základnou surovinou pre petrochemický priemysel. Premenou ropy sa vytvoril na niektorých miestach asfalt.

Vieme, že v atmosfíre je uhlík prítomný ako oxid uhličitý CO2 (priemerne 0,03 objemových %). Tento sa tiež podieľa na fotosyntéze. Oxid uhličitý je rozpustený aj vo všetkých prírodných vodách, hlavne minerálne vody ho obsahujú vo zvýšenej miere.

V litosfére sa elementárny uhlík nachádza v dvoch alotropických modifikáciách, ako diamant a tuha (grafit). V diamante, ktorý kryštalizuje v kubickej sústave, sú uhlíkové atómy usporiadané tetraedricky, viazané pevnými väzbami. Veľká pevnosť väzieb spôsobuje jeho mimoriadnu tvrdosť (je najtvrdšou prírodnou látkou, 10. člen Mohsovej stupnice tvrdosti). Kryštály diamantu sú bezfarebné a priehľadné alebo aj rôzne zafarbené. Bezfarebné diamanty (ale niekedy i farebné) majú vysoký index lomu (asi 2,42), ktorý zvyšuje vnútorný odraz a lesk v brúsenom materiály, preto sa používajú na výrobu šperkov, briliantov. Diamanty však majú aj priemyslový význam. Nepriesvitné druhy slúžia na rezanie kovov a kameňov, drobnejšie ako brusivo. Diamanty drobných rozmerov sa dajú vyrobiť z tuhy pri teplote 2500 až 3000 °C a pri veľmi vysokom tlaku.

S kovmi tvorí uhlík karbidy, napríklad karbid vápenatý CaC2, z ktorého sa pôsobením vody vyrába acetylén. Z halogenidov je významný chlorid uhličitý, bezfarebná kvapalina sladkastého zápachu s narkotickými účinkami, ktorá sa používa ako organické rozpúšťadlo. Nedokonalým horením uhlíka vzniká oxid uhoľnatý CO, prudko jedovatý plyn, ktorý horí modrastým plameňom. Vytláča kyslík z krvi, veľmi rýchlo sa viaže s hemoglobínom na karbonylhemoglobín, ktorý nemá schopnosť prenášať kyslík, takže docádza k zaduseniu. Dokonalým spálením uhlíka vzniká oxid uhličitý CO2, ktorý vydychujeme z pľúc. Voľný sa nachádza v minerálnych vodách, sopečných plynoch. Oxid uhličitý dáva s vodou kyselinu uhličitú, od ktorej sú odvodené dva druhy solí: hydrogénuhličitany a uhličitany.
a.)DIAMANT

Diamant je najčistejší prírodný uhlík, v jeho kryštalickej štruktúre sú iba atómy uhlíka, ktoré sú akoby vo vrcholoch pravidelného štvorstena. Sú navzájom viazané kovalentnými väzbami. Diamanty sú známe svojimi výnimočnými fyzikálnymi vlastnosťami, najmä tvrdosťou a vysokou disperziou svetla. Vďaka týmto a ďalším vlastnostiam je diamant veľmi žiadaný v klenotníctve a na priemyselné použitie. Diamant je najtvrdší prírodný materiál. Aj keď je diamant veľmi tvrdý, teda odolný voči poškrabaniu, má priemernú krehkosť. Krehkosť popisuje ako ľahko sa materiál rozbije silným nárazom. Diamanty sa vyskytujú v rôznych priehľadných farebných odtieňoch: bezfarebné, biele, sivé, modré, žlté, oranžové, červené, zelené, ružové, hnedé, prípadne čierne. Zafarbenie diamantov je spôsobené prímesami alebo poruchami v štruktúre. Väčšina prímesí nahrázda atómy uhlíka v kryštalickej mriežke. Najčastejšia prímes je dusík spôsobujúci žlté alebo hnedasté zafarbenie diamantu.

Využitie diamantu ako dekoratívneho šperku je najznámejšie, ale aj prvé využitie siahajúce až do staroveku. Rozptyl svetla je daľšou základnou charakteristikou diamantu a je vysoko cenená nielen dnes, ale aj v minulosti. Špecialisti na drahokamy okolo roku 1900 vyvinuli metódu charakterizovania diamantov a iných drahokamov zakladajúcu sa na určení vlastností najdôležitejších pre ich cenu ako vzácne kamene. Štyri vlastnosti známe ako 'štyri C', sú bežne používané na záklaný opis diamantov: sú to karáty(carat), čírosť(clarity), farba(color), a výbrus(cut).

Karát je jednotka váhy pre diamanty. Jeden karát je presne 200 milligramov. Point je jedna stotina karátu (2 mg) a zvyčajne sa používa pre diamanty vážiace menej ako jeden karát. Cena diamantu exponenciálne rastie so zvyšujúcimi sa karátmi, kedže väčšie diamanty sú veľmi zriedkavé a viacej žiadané.

Čírosť je stupeň vnútorných chýb diamantu. Tieto chyby môžu byť napr. cudzí materiál, iný kryštál diamantu, alebo štrukturálne nepresnosti ako malé prasklinky. Počet, veľkosť, farba, umiestnenie a viditeľnosť chýb môžu ovplyvniť relatívnu čírosť diamantu.
Chemicky čistý a štrukturálne perfektný diamant je dokonale priesvitný bez jakejkoľvek farby alebo odtieňa. Avšak v prírode nie je takmer žiadny diamant perfektný.

Brúsenie diamantov je umenie a veda vytvárania kvalitných klenotov zo surového neopracovaného kameňa. Výbrus diamantu predstavuje spôsob akým bol vytvarovaný a leštený od počiatočnej formy až po finálny vzhľad. Zobrazuje aj kvalitu spracovania. Výbrus sa často mýli s jeho tvarom. Sú stanovené matematické smernice pre uhly a pomery dĺžok na ktoré má byť diamant vybrúsený, aby odrážal čo najväčšie množstvo svetla.


b.)GRAFIT

Tento minerál vytvára kryštály v tvare plochých tabuľkovitých doštičiek. Máva aj celistvý, šupinkovitý, zrnitý aj zemitý habitus. Býva tmavosivý až čierny a má tmavosivý až čierny vryp. Je nepriehľadný a vyznačuje sa matným kovovým leskom. Vytvára sa v premenených horninách, najmä v bridliciach a svoroch. Grafit je na dotyk mastný, otiera sa o papier a zanecháva na ňom sivú stopu.

Fyzikálne vlastnosti: píše po papieri, otiera sa o prsty, na dotyk mastný, dobre vedie elektrický prúd.
Optické vlastnosti: Farby: čierna, tmavá až ocelovo šedá, je nepriehľadný a má kovový až mastný lesk.
Chemické vlastnosti: Je tvorený uhlíkom s prímesami H, N, CO2, CH4, SiO2 ai. V kyselinách je nerozpustný, reaguje len s HNO3 pri varení.

Má veľmi široké využitie. Z bežných predmetov ho nájdeme hlavne v ceruzkách, tzv. uhlíky sú súčasťou elektromotorov rôznych domácich elektrospotrebičov (mixér, práčka, vysávač..)
Z grafitu sa vyrábajú aj elektródy pre elektrolytickú výrobu hliníka alebo kremíka, elektródy do oblúkových pecí na výrobu ocele. Slúžia aj ako súčasť suchých i olejových mazív (grafitová vazelína)
c.)JANTÁR

Zvláštnu formu uhlíkatého minerálu predstavuje jantár - mineralizované zvyšky treťohornej živice staré okolo 50 miliónov rokov. Priemerné chemické zloženie jantáru bolo určené ako C10H16O. Základná farba jantáru je zlatožltá, ale môžeme nájsť aj odrody celkom priehľadné, červené, kávové aj biele. Nachádza sa v Európe ako skamenená živica borovíc a v Strednej Amerike a Mexiku, kde ide o živicu tropickej dreviny kopálu. Význam jantáru je najmä vo výrobe šperkov a ozdobných predmetov. Asi najvýznamnejším projektom v tomto obore bola povestná Jantárová komnata, miestnosť obložená nádhernými umelecky spracovanými jantárovými blokmi v Petrohradskom cárskom paláci. V priebehu 2. svetovej vojny nemecké okupačné vojská Jantárovú komnatu rozobrali a odviezli na neznáme miesto. Dodnes sa po tejto kultúrnej pamiatke bezvýsledne pátra. Ďalší význam jantáru je paleontologický. V hmote jantárových nálezov sú veľmi často perfektne zachované telá treťohorného hmyzu, peľ vtedajších rastlín a ďalšie artefakty.


d.)FULLERÉNY

Fullerény (jednot. číslo: Fullerén) sú sférické molekuly vytvorené z uhlíkových atómov s vysokou symetriou, napr. Ih-symetria pre C60) , ktoré predstavujú tretiu prvkovú modifikáciu uhlíka, (vedľa diamantu a grafitu). Objav zaznamenali výzkumníci v Rice University v roku 1985. Funguje vlastne na novom druhe sférickej uhlíkovej štruktúry. Tento materiál má tvar presnej gule. Má veľmi zaujímavé fyzikálne vlastnosti, ktoré ho stavajú zatiaľ na prvé miesto v oblasti nanotechnologicky využiteľných materiálov.


e.)OXID UHLIČITÝ

Oxid uhličitý je atmosferický plyn tvorený dvoma atómami kyslíka a jedným atómom uhlíka. Jeho sumárny chemický vzorec je CO2. Je bezfarebný, nehorľavý, málo reaktívny, ťažší než vzduch. Vzniká ako produkt biologických procesov, napríklad dýchania a kvasenia a ako produkt horenia zlúčenín uhlíka. Oxid uhličitý CO2 je bezfarebný plyn, bez zápachu, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku veľmi slabej kyseliny uhličitej. Tvorí približne 0,038 % objemu atmosféry Zeme, kam sa dostáva jednak dýchaním živých organizmov, jednak v súčasnosti stále rastúcim tempom spaľovania fosílnych palív. Z atmosféry odčerpávajú oxid uhličitý rastliny procesom zvaným fotosyntéza s pomocou organického farbiva chlorofylu. Toto farbivo je schopné využiť energiu fotónu slnečného svetla na naštartovanie značne komplikovaného reťazca chemických reakcií, ich výsledok možno jednoducho opísať takto:
6 H2O + 6 CO2 + E → C6H12O6 + 6 O2
Uvedená reakcia je vcelku kľúčová pre všetok pozemský život, pretože s jej pomocou sa ku všetkým živým organizmom dostáva energia, ktorá im umožňuje existenciu a zároveň sa takto vytvára kyslík, ktorý je nevyhnutný pre ich dýchanie.


f.)OXID UHOĽNATÝ

Oxid uhoľnatý je bezfarebný plyn bez chuti a zápachu, je ľahší ako vzduch, nedráždivý. Vo vode je málo rozpustný. Je obsiahnutý vo svietiplyne, v generátorovom a vo vodnom plyne. Má silné redukčné vlastnosti, pri vysokej teplote odčerpáva kyslík viazaný v oxidoch kovov. V prírode je prítomný v nepatrnom množstve v atmosfére, kde vzniká predovšetkým fotolýzou oxidu uhličitého pôsobením ultrafialového žiarenia, ako produkt nedokonalého spaľovania fosílnych palív či biomasy. Je tiež obsiahnutý v sopečných plynoch. V medzihviezdnom priestore sa vyskytuje v značnom množstve. Našiel sa aj v atmosfére Marsu (0,08 %) a spektroskopiou bol preukázaný v kométach.

Oxid uhoľnatý je jed, ktorý zapríčinil pravdepodobne najviac otráv v histórii ľudstva. Pripravuje sa spaľovaním uhlíka s malým množstvom kyslíka:
2 C + O2 → 2 CO,
prípadne reakciou vodných pár s uhlíkom pri vysokých teplotách (príprava vodného plynu):
C + H2O → CO + H2.
V nepatrnom množstve vzniká aj metabolickými procesmi v živých organizmoch, a preto je obsiahnutý v stopových množstvách vo vydychovanom vzduchu z pľúc.
S kyslíkom sa prudko zlučuje (horí modrým plameňom) na oxid uhličitý:
2 CO + O2 → 2 CO2
za uvoľnenia značného množstva tepla. V zmesi so vzduchom, obsahujúci od 12,5 až 74,2 % oxidu uhoľnatého, vybuchuje.