Objav: Staroveký Egypt (cca 3750 p.n.l.)
T. topenia
3550 °C
T. varu
3825 °C
Kľúčové vlastnosti
Atómová hmotnosť
12.011 u
Atómový polomer
70 pm
Hustota
2260 kg/m³
Elektronegativita
2.55
Ionizačná energia
1086.5 kJ/mol
Elektrónová afinita
121.776 kJ/mol
Elektrónová konfigurácia
Výskyt v prírode
Zlúčeniny a minerály
Načítavajú sa molekulárne štruktúry...
Základná charakteristika
- Bol známy už v staroveku (napr. Staroveký Egypt okolo 3750 pred Kr. vo forme sadzí a dreveného uhlia).
- Je typický nekov, základný stavebný prvok všetkých organických zlúčenín a tým aj života na Zemi.
- Vyskytuje sa v rôznych alotropických modifikáciách s odlišnými vlastnosťami, ako sú diamant (veľmi tvrdý, priehľadný), grafit (mäkky, čierny, vodivý), fullerény a grafén.
- Vyznačuje sa mimoriadnou schopnosťou katenácie, t.j. tvorby dlhých a stabilných reťazcov a kruhov C-C.
- Má jednu z najvyšších teplôt topenia/sublimácie spomedzi všetkých prvkov (približne 3550 °C).
- V prírode sa nachádza voľný (diamant, grafit) aj viazaný (napr. v oxide uhličitom CO₂, uhličitanoch, fosílnych palivách a všetkých živých organizmoch).
- V zlúčeninách má bežné oxidačné čísla -IV (napr. v metáne CH₄, karbidoch), +II (napr. v oxide uhoľnatom CO) a +IV (napr. v oxide uhličitom CO₂, uhličitanoch).
- Využitie závisí od formy: diamant (šperky, rezné nástroje), grafit (elektródy, ceruzky, mazivá).
- Ďalšie formy ako koks a uhlie slúžia ako palivá a redukčné činidlá; aktívne uhlie na filtráciu; moderné formy (grafén, nanorúrky) v elektronike a kompozitných materiáloch.
Okrem stabilných izotopov ¹²C (98,9 %) a ¹³C (1,1 %) sa v prírode nachádza aj stopové množstvo rádioaktívneho izotopu ¹⁴C (polčas rozpadu cca 5730 rokov). Vzniká v atmosfére jadrovou reakciou dusíka s neutrónmi kozmického žiarenia (\( ^{14}_7\text{N} + ^1_0\text{n} \rightarrow ^{14}_6\text{C} + ^1_1\text{H} \)). Živé organizmy prijímajú ¹⁴C (vo forme CO₂) z atmosféry a udržiavajú jeho koncentráciu konštantnú. Po odumretí sa príjem ¹⁴C zastaví a jeho obsah v pozostatkoch klesá podľa zákona rádioaktívneho rozpadu. Meraním zvyškového obsahu ¹⁴C je možné určiť vek organických materiálov (drevo, kosti, textílie...) až do cca 50 000 rokov.
Alotropické modifikácie uhlíka link
Uhlík existuje vo viacerých formách (alotropoch) s veľmi odlišnými štruktúrami a vlastnosťami:
- Diamant: Atómy C sú v sp³ hybridizácii, tvoria pevnú tetraédrickú priestorovú sieť. Je extrémne tvrdý, priehľadný, elektrický izolant, ale výborný vodič tepla.
- Grafit (tuha): Atómy C sú v sp² hybridizácii, tvoria vrstvy zložené zo šesťuholníkov. Je mäkký, čiernošedý, nepriehľadný, vedie elektrický prúd (v rámci vrstiev). Veľká medzirovinná vzdialenosť (0,335 nm) umožňuje tvorbu interkalačných zlúčenín, kde sú medzi vrstvami umiestnené iné atómy alebo molekuly (napr. alkalické kovy, halogény). Grafit je termodynamicky stabilnejšia modifikácia za bežných podmienok.
- Fullerény: Molekulové alotropy tvorené uzavretými sférickými alebo elipsoidnými štruktúrami (napr. C₆₀ – buckminsterfullerén).
- Grafén: Tvorí ho jediná vrstva atómov uhlíka usporiadaných do šesťuholníkovej mriežky (jedna vrstva grafitu).
- Uhlíkové nanorúrky: Cylindrické molekuly tvorené zvinutými vrstvami grafénu.
- Amorfný uhlík: Formy bez pravidelnej kryštalickej štruktúry, v skutočnosti často mikrokryštalický grafit (napr. sadze, aktívne uhlie, koks, drevené uhlie). Aktívne uhlie má veľký pórovitý povrch a silné adsorpčné schopnosti.
Výskyt uhlíka v prírode link
V prírode sa vyskytuje voľný (diamant, grafit) aj viazaný. Je základom organickej hmoty (ropa, zemný plyn, uhlie, biomasa, všetky živé organizmy). V anorganickej forme sa nachádza najmä ako oxid uhličitý (CO₂) v atmosfére (cca 0,03–0,04 obj. %) a rozpustený vo vode, a v uhličitanoch (napr. vápenec CaCO₃, dolomit CaMg(CO₃)₂, magnezit MgCO₃).
Výroba uhlíka link
Elementárny uhlík sa získava v rôznych formách podľa účelu:
- Grafit sa ťaží alebo vyrába synteticky zahrievaním koksu na veľmi vysoké teploty (Achesonov proces).
- Diamanty sa ťažia alebo vyrábajú synteticky z grafitu pri extrémne vysokom tlaku (5–10 GPa) a teplote (2000–3000 K) za prítomnosti katalyzátorov (napr. kovov).
- Koks sa vyrába tepelným rozkladom (karbonizáciou) čierneho uhlia bez prístupu vzduchu.
- Aktívne uhlie sa vyrába pyrolýzou organických materiálov (drevo, kokosové škrupiny) s následnou aktiváciou (napr. vodnou parou) na vytvorenie pórovitej štruktúry. Používa sa aj vo farmácii (Carbo activatus).
- Sadze vznikajú nedokonalým spaľovaním uhľovodíkov.
Významné anorganické zlúčeniny uhlíka link
V anorganických zlúčeninách má uhlík najčastejšie oxidačné číslo +IV (napr. v CO₂, H₂CO₃, uhličitanoch) alebo +II (v CO). V hydridoch (metán CH₄) a niektorých karbidoch (napr. Al₄C₃) má oxidačné číslo -IV. Uhlík typicky tvorí kovalentné väzby, pričom môže tvoriť jednoduché, dvojité aj trojité väzby so sebou samým aj s inými prvkami (O, N, H...). Jeho schopnosť tvoriť stabilné a dlhé reťazce (katenácia) je základom obrovskej rozmanitosti organických zlúčenín.
Okrem obrovského množstva organických zlúčenín tvorí uhlík aj dôležité anorganické zlúčeniny.
Oxid uhoľnatý link
Oxid uhoľnatý (CO) je bezfarebný plyn bez zápachu a chuti, ľahší ako vzduch. Molekula :C≡O: má väzbový poriadok 3 a je veľmi pevná. Vzniká nedokonalým spaľovaním uhlíkatých látok alebo v laboratóriu dehydratáciou kyseliny mravčej koncentrovanou H₂SO₄:
\( \ce{HCOOH ->[\ce{H2SO4, t}] CO(g) + H2O(l)} \)
Je prudko jedovatý, viaže sa na hemoglobín (tvorí karbonylhemoglobín) asi 250-krát pevnejšie ako kyslík, čím blokuje prenos O₂. Používa sa ako redukčné činidlo v metalurgii (napr. pri výrobe železa) a ako súčasť syntéznych plynov. Vystupuje ako ligand v karbonyloch kovov (napr. Ni(CO)₄, Fe(CO)₅), kde má kov často oxidačné číslo nula. Reakciou s chlórom vzniká veľmi jedovatý fosgén (COCl₂).
\( \ce{Fe2O3(s) + 3CO(g) ->[\text{t}] 2Fe(s) + 3CO2(g)} \)
\( \ce{CO(g) + Cl2(g) ->[\text{UV/kat.}] COCl2(g)} \)
Oxid uhličitý link
Oxid uhličitý (CO₂) je bezfarebný plyn slabo kyslej chuti a zápachu, ťažší ako vzduch. Molekula O=C=O je lineárna a nepolárna. Vzniká dokonalým spaľovaním, dýchaním, kvasením, rozkladom uhličitanov.
\( \ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)} \)
\( \ce{CaCO3(s) ->[\text{t}] CaO(s) + CO2(g)} \)
Je nevyhnutný pre fotosyntézu, pôsobí ako skleníkový plyn. Pri ochladení tuhne na suchý ľad (-78,5 °C), ktorý sublimuje. Používa sa v sýtených nápojoch, ako chladivo, v hasiacich prístrojoch a pri výrobe močoviny CO(NH₂)₂.
Kyselina uhličitá a uhličitany link
Kyselina uhličitá (H₂CO₃) je slabá, nestabilná kyselina, existujúca len vo vodnom roztoku CO₂. Pri rozpúšťaní CO₂ vo vode vzniká rovnováha:
\( \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H2CO3(aq) <=> H+(aq) + HCO3-(aq) <=> 2H+(aq) + CO3^2-(aq)} \)
Väčšina CO₂ je len fyzikálne rozpustená (hydratovaná), len malá časť tvorí H₂CO₃. Roztok je preto len slabo kyslý. Tvorí dve rady solí: uhličitany (CO₃²⁻) a hydrogénuhličitany (HCO₃⁻). Uhličitany (okrem alkalických kovov a NH₄⁺) sú zväčša nerozpustné vo vode. Hydrogénuhličitany sú zvyčajne rozpustné.
Karbidy link
Karbidy sú binárne zlúčeniny uhlíka s kovmi alebo polokovmi. Delia sa na:
- Iónové (acetylidy, metanidy): Obsahujú anióny C₂²⁻ alebo C⁴⁻. Napr. CaC₂, Al₄C₃. Reagujú s vodou za vzniku uhľovodíkov. Acetylid vápenatý (CaC₂) sa vyrába reakciou CaO s koksom pri vysokej teplote.
\( \ce{CaO(s) + 3C(s) ->[\text{2500 K}] CaC2(s) + CO(g)} \)
\( \ce{CaC2(s) + 2H2O(l) -> Ca(OH)2(aq) + C2H2(g)} \)
- Kovalentné: Napr. SiC (karborundum), B₄C. Majú trojrozmerné siete kovalentných väzieb. Sú extrémne tvrdé, chemicky odolné.
- Intersticiálne (kovové): Napr. WC, TiC, TaC. Atómy C v medzerách kovovej mriežky. Veľmi tvrdé, vysoké teploty topenia, často kovovo vodivé.
Ďalšie anorganické zlúčeniny uhlíka link
Medzi ďalšie jednoduché zlúčeniny patria kyanovodík (HCN) (lineárna molekula H−C≡N, prudko jedovatá kvapalina), jeho soli kyanidy (napr. KCN, anión CN⁻ je pseudohalogenid), sírouhlík (CS₂) (lineárna molekula S=C=S, nepolárna kvapalina, rozpúšťadlo), kyanatany (soli kyseliny kyanatej HOCN/izokyanatej HNCO) a tiokyanatany (rodanidy, soli kyseliny tiokyanatej HSCN, napr. KSCN).
