Uhlík

Izotopy uhlíka link

Prírodný uhlík tvoria dva stabilné izotopy, ¹²C (98,9 %) a ¹³C (1,1 %), a stopy rádioaktívneho izotopu ¹⁴C s polčasom premeny 5 700 rokov. Izotop ¹²C je základom atómovej hmotnostnej jednotky, ktorá je dvanástinou hmotnosti jeho atómu.

Izotop ¹⁴C vzniká v atmosfére z dusíka pôsobením neutrónov kozmického žiarenia:

\( \ce{^{14}_{7}N + ^{1}_{0}n -> ^{14}_{6}C + ^{1}_{1}H} \)

Živé organizmy prijímajú ¹⁴C v oxide uhličitom a jeho podiel v nich ostáva rovnaký ako v ovzduší. Po smrti organizmu príjem ustane a ¹⁴C sa postupne premieňa, takže z jeho zvyšného množstva sa dá určiť vek organických pozostatkov (drevo, kosti, textílie) do približne 50 000 rokov. Metóda sa nazýva rádiouhlíkové datovanie.

Alotropické modifikácie uhlíka link

Uhlík sa vyskytuje vo viacerých alotropických modifikáciách, ktoré sa líšia usporiadaním atómov, a preto aj vlastnosťami:

• diamant – atómy uhlíka v hybridizácii sp³ sú viazané do pevnej priestorovej siete; je to najtvrdšia prírodná látka, je priehľadný a elektricky nevodivý, no dobre vedie teplo
• grafit (tuha) – atómy v hybridizácii sp² tvoria vrstvy zo šesťuholníkov, ktoré k sebe držia len slabé sily; preto je mäkký, ľahko sa štiepi na lupienky, je čierny a vedie elektrický prúd
• fulerény – molekuly v tvare uzavretej guľovej klietky, najznámejší je C₆₀
• grafén – jediná vrstva grafitu hrubá jeden atóm; zvinutý do trubičky tvorí uhlíkové nanorúrky

Koks, drevené uhlie, sadze a aktívne uhlie sa označujú ako amorfný uhlík. Nemajú pravidelnú kryštálovú stavbu a tvoria ich drobné kryštáliky grafitu. Aktívne uhlie má veľmi veľký pórovitý povrch, preto dobre zachytáva (adsorbuje) iné látky.

Výskyt uhlíka v prírode link

Uhlík sa v prírode vyskytuje voľný ako diamant a grafit aj viazaný. Je základom všetkej živej hmoty a fosílnych palív – ropy, zemného plynu a uhlia. Z anorganických zlúčenín je najrozšírenejší oxid uhličitý v ovzduší (približne 0,04 % objemu) a rozpustený vo vode a uhličitany, najmä vápenec CaCO₃, dolomit CaMg(CO₃)₂ a magnezit MgCO₃.

Na Slovensku sa ťaží vápenec na výrobu vápna a cementu a magnezit, ktorého ložiská patria k najväčším v Európe a ktorý sa spracúva na žiaruvzdorné materiály.

Výroba uhlíka link

Elementárny uhlík sa získava v rôznych formách podľa účelu:

• koks – zahrievaním čierneho uhlia bez prístupu vzduchu; slúži ako palivo a redukovadlo pri výrobe železa
• aktívne uhlie – zuhoľnatením dreva alebo škrupín orechov a ich aktiváciou vodnou parou; čistí vodu a vzduch a podáva sa pri otravách
• sadze – nedokonalým spaľovaním uhľovodíkov; sú plnivom pneumatík a čiernym pigmentom
• umelý grafit a diamant – grafit sa vyrába žíhaním koksu, diamanty z grafitu pri veľmi vysokom tlaku a teplote

Anorganické zlúčeniny uhlíka link

Uhlík ako jediný z tetrelov tvorí stabilné násobné väzby a dlhé reťazce, preto vytvára nespočetné organické zlúčeniny, ktorými sa zaoberá organická chémia. Medzi jeho anorganické zlúčeniny patria:

1. oxid uhoľnatý – jedovatý plyn z nedokonalého horenia, redukovadlo
2. oxid uhličitý – produkt dokonalého horenia a dýchania, skleníkový plyn
3. kyselina uhličitá a uhličitany – slabá kyselina a jej soli, napríklad vápenec a sóda
4. karbidy – zlúčeniny uhlíka s kovmi, napríklad acetylid vápenatý
5. ďalšie anorganické zlúčeniny uhlíka – kyanovodík, kyanidy a sírouhlík

Oxid uhoľnatý link

Oxid uhoľnatý CO je bezfarebný plyn bez zápachu, o niečo ľahší ako vzduch. Vzniká nedokonalým horením uhlíka a jeho zlúčenín pri nedostatku kyslíka:

\( \ce{2 C + O2 -> 2 CO} \)

V laboratóriu sa pripravuje rozkladom kyseliny mravčej koncentrovanou kyselinou sírovou:

\( \ce{HCOOH ->[H2SO4] CO + H2O} \)

Oxid uhoľnatý je prudko jedovatý. Viaže sa na hemoglobín asi 250-krát pevnejšie ako kyslík, pričom vzniká karbonylhemoglobín, a krv tak nemôže prenášať kyslík. Otravy hrozia pri zle fungujúcich kachliach a plynových spotrebičoch. Pre redukčné vlastnosti sa oxid uhoľnatý uplatňuje pri výrobe železa vo vysokej peci:

\( \ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2} \)

Oxid uhličitý link

Oxid uhličitý CO₂ je bezfarebný plyn bez zápachu, asi 1,5-krát ťažší ako vzduch, preto sa hromadí pri zemi, napríklad v pivniciach pri kvasení. Horenie nepodporuje. Jeho molekula O=C=O je lineárna a nepolárna. Vzniká dokonalým horením uhlíka a jeho zlúčenín, dýchaním, kvasením a tepelným rozkladom uhličitanov:

\( \ce{C + O2 -> CO2} \)

\( \ce{CaCO3 ->[t] CaO + CO2} \)

V laboratóriu sa pripravuje reakciou uhličitanu vápenatého (mramoru alebo vápenca) s kyselinou chlorovodíkovou. Dokazuje sa vápennou vodou, ktorá sa zakalí vylúčeným uhličitanom vápenatým:

\( \ce{CaCO3 + 2 HCl -> CaCl2 + H2O + CO2} \)

\( \ce{CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 v + H2O} \)

Oxid uhličitý je nevyhnutný pre fotosyntézu rastlín. V ovzduší pôsobí ako skleníkový plyn: prepúšťa slnečné žiarenie, ale zadržiava teplo vyžarované zemským povrchom. Jeho rastúci podiel zo spaľovania fosílnych palív prispieva ku globálnemu otepľovaniu. Pri teplote -78,5 °C prechádza do tuhého skupenstva ako suchý ľad, ktorý sublimuje. Používa sa v hasiacich prístrojoch, na sýtenie nápojov, ako chladivo a pri výrobe močoviny.

Kyselina uhličitá a uhličitany link

Kyselina uhličitá H₂CO₃ je slabá a nestála kyselina, ktorá existuje len vo vodnom roztoku oxidu uhličitého. Väčšina rozpusteného CO₂ s vodou nezreaguje, preto je roztok len slabo kyslý:

\( \ce{CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3-} \)

Kyselina uhličitá tvorí dva rady solí: uhličitany (CO₃²⁻) a hydrogenuhličitany (HCO₃⁻). Uhličitany sú okrem uhličitanov alkalických kovov a uhličitanu amónneho vo vode nerozpustné, hydrogenuhličitany sú rozpustné. Významné sú uhličitan sodný Na₂CO₃ (sóda), hydrogenuhličitan sodný NaHCO₃ (sóda bikarbóna, jedlá sóda) a uhličitan vápenatý CaCO₃ (vápenec, mramor, krieda).

Premena nerozpustného uhličitanu vápenatého na rozpustný hydrogenuhličitan vápenatý spôsobuje krasové javy a prechodnú tvrdosť vody, ktorým sa podrobne venuje článok o vápniku.

Karbidy link

Karbidy sú zlúčeniny uhlíka s kovmi alebo polokovmi. Najznámejší je acetylid vápenatý CaC₂, v praxi nazývaný karbid. Vyrába sa z páleného vápna a koksu v elektrickej peci a s vodou reaguje za vzniku acetylénu (etínu), ktorý kedysi svietil v karbidových lampách a dodnes sa používa pri zváraní:

\( \ce{CaO + 3 C ->[t] CaC2 + CO} \)

\( \ce{CaC2 + 2 H2O -> Ca(OH)2 + C2H2} \)

Iné karbidy sú veľmi tvrdé a žiaruvzdorné. Karbid kremíka SiC (karborundum) slúži ako brúsivo, karbid volfrámu WC na rezné nástroje a vrtáky.

Ďalšie anorganické zlúčeniny uhlíka link

Medzi ďalšie anorganické zlúčeniny uhlíka patrí kyanovodík HCN, prudko jedovatá prchavá kvapalina s vôňou horkých mandlí, a jeho soli kyanidy, napríklad kyanid draselný KCN. Kyanidy sú prudké jedy, ktoré zastavia bunkové dýchanie. Sírouhlík CS₂ je jedovatá a ľahko zápalná kvapalina, ktorá dobre rozpúšťa síru, tuky a kaučuk.