Jedinečné vlastnosti atómu uhlíka. Fyzikálne a chemické vlastnosti uhlíka

DEFINÍCIA

Uhlík- šiesty prvok periodickej tabuľky. Označenie - C z latinského „carboneum“. Nachádza sa v druhej tretine, skupina IVA. Vzťahuje sa na nekovy. Jadrový náboj je 6.

Uhlík sa v prírode nachádza ako vo voľnom stave, tak aj vo forme mnohých zlúčenín. Voľný uhlík sa vyskytuje vo forme diamantu a grafitu. Okrem fosílneho uhlia sú v hlbinách Zeme veľké akumulácie ropy. Soli kyseliny uhličitej, najmä uhličitan vápenatý, sa nachádzajú v obrovskom množstve v zemskej kôre. Vo vzduchu je vždy oxid uhličitý. Napokon, rastlinné a živočíšne organizmy pozostávajú z látok, na ktorých tvorbe sa podieľa uhlík. Tento prvok je teda jedným z najbežnejších na Zemi, hoci jeho celkový obsah v zemskej kôre je len asi 0,1 % (hm.).

Atómová a molekulová hmotnosť uhlíka

Relatívna molekulová hmotnosť látky (M r) je číslo, ktoré ukazuje, koľkokrát je hmotnosť danej molekuly väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka a relatívna atómová hmotnosť prvku (A r) je koľkokrát je priemerná hmotnosť atómov chemického prvku väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka.

Pretože uhlík vo voľnom stave existuje vo forme monatomických molekúl C, hodnoty jeho atómových a molekulových hmotností sa zhodujú. Rovnajú sa 12,0064.

Alotropia a alotropické modifikácie uhlíka

Vo voľnom stave existuje uhlík vo forme diamantu, ktorý kryštalizuje v kubickej a hexagonálnej (lonsdaleitovej) sústave a grafitu, ktorý patrí do hexagonálnej sústavy (obr. 1). Formy uhlíka ako drevené uhlie, koks alebo sadze majú neusporiadanú štruktúru. Existujú aj alotropické modifikácie získané synteticky - sú to karbín a polykumulény - odrody uhlíka postavené z lineárnych reťazových polymérov typu -C= C- alebo = C = C=.

Ryža. 1. Alotropické modifikácie uhlíka.

Známe sú aj alotropické modifikácie uhlíka, ktoré majú tieto názvy: grafén, fullerén, nanorúrky, nanovlákna, astralen, sklený uhlík, kolosálne nanorúrky; amorfný uhlík, uhlíkové nanopúčiky a uhlíková nanopena.

Izotopy uhlíka

V prírode existuje uhlík vo forme dvoch stabilných izotopov 12C (98,98 %) a 13C (1,07 %). Ich hmotnostné čísla sú 12 a 13. Jadro atómu izotopu uhlíka 12C obsahuje šesť protónov a šesť neutrónov a izotop 13C obsahuje rovnaký počet protónov a päť neutrónov.

Existuje jeden umelý (rádioaktívny) izotop uhlíka, 14 C, s polčasom rozpadu 5730 rokov.

Uhlíkové ióny

Vonkajšia energetická hladina atómu uhlíka má štyri elektróny, ktoré sú valenčnými elektrónmi:

1s 2 2s 2 2p 2 .

V dôsledku chemickej interakcie môže uhlík stratiť svoje valenčné elektróny, t.j. byť ich donorom, a premeniť sa na kladne nabité ióny alebo prijať elektróny z iného atómu, t.j. byť ich akceptorom a premeniť sa na záporne nabité ióny:

Co-2e -> C2+;

Co-4e -> C4+;

Co +4e -> C4-.

Molekula a atóm uhlíka

Vo voľnom stave uhlík existuje vo forme monatomických molekúl C. Tu sú niektoré vlastnosti charakterizujúce atóm uhlíka a molekulu:

Uhlíkové zliatiny

Najznámejšie uhlíkové zliatiny na svete sú oceľ a liatina. Oceľ je zliatina železa a uhlíka, ktorej obsah uhlíka nepresahuje 2%. V liatine (tiež zliatina železa a uhlíka) je obsah uhlíka vyšší – od 2 do 4 %.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

PRÍKLAD 2

Uhlík (z latinčiny: carbo "uhlie") je chemický prvok so symbolom C a atómovým číslom 6. Na vytvorenie kovalentných chemických väzieb sú k dispozícii štyri elektróny. Látka je nekovová a štvormocná. Prirodzene sa vyskytujú tri izotopy uhlíka, 12C a 13C sú stabilné a 14C je rozpadajúci sa rádioaktívny izotop s polčasom rozpadu približne 5 730 rokov. Uhlík je jedným z mála prvkov známych už od staroveku. Uhlík je 15. najrozšírenejší prvok v zemskej kôre a štvrtý najrozšírenejší prvok vo vesmíre podľa hmotnosti po vodíku, héliu a kyslíku. Množstvo uhlíka, jedinečná rozmanitosť jeho organických zlúčenín a jeho nezvyčajná schopnosť vytvárať polyméry pri teplotách, ktoré sa bežne vyskytujú na Zemi, mu umožňujú slúžiť ako spoločný prvok pre všetky známe formy života. Je to druhý najrozšírenejší prvok v ľudskom tele podľa hmotnosti (asi 18,5%) po kyslíku. Atómy uhlíka sa môžu viazať rôznymi spôsobmi, ktoré sa nazývajú alotropy uhlíka. Najznámejšie alotropy sú grafit, diamant a amorfný uhlík. Fyzikálne vlastnosti uhlíka sa značne líšia v závislosti od alotropnej formy. Napríklad grafit je nepriehľadný a čierny, zatiaľ čo diamant je veľmi priehľadný. Grafit je dostatočne mäkký na to, aby vytvoril pruh na papieri (odtiaľ pochádza jeho názov z gréckeho slovesa „γράφειν“, čo znamená „písať“), zatiaľ čo diamant je najtvrdší materiál známy v prírode. Grafit je dobrý elektrický vodič, zatiaľ čo diamant má nízku elektrickú vodivosť. Za normálnych podmienok majú diamant, uhlíkové nanorúrky a grafén najvyššiu tepelnú vodivosť zo všetkých známych materiálov. Všetky uhlíkové allotropy sú za normálnych podmienok pevné látky, pričom grafit je termodynamicky najstabilnejšia forma. Sú chemicky stabilné a vyžadujú vysoké teploty, aby reagovali aj s kyslíkom. Najbežnejší oxidačný stav uhlíka v anorganických zlúčeninách je +4 a +2 v karboxylových komplexoch oxidu uhoľnatého a prechodného kovu. Najväčšími zdrojmi anorganického uhlíka sú vápence, dolomity a oxid uhličitý, ale značné množstvo pochádza z organických ložísk uhlia, rašeliny, ropy a klatrátov metánu. Uhlík tvorí obrovské množstvo zlúčenín, viac než ktorýkoľvek iný prvok, s takmer desiatimi miliónmi zlúčenín, ktoré boli doteraz opísané, a napriek tomu je toto číslo len zlomkom počtu zlúčenín, ktoré sú teoreticky možné za štandardných podmienok. Z tohto dôvodu je uhlík často označovaný ako „kráľ prvkov“.

Charakteristika

Alotropy uhlíka zahŕňajú grafit, jednu z najjemnejších známych látok, a diamant, najtvrdšiu prírodnú látku. Uhlík sa ľahko viaže na iné malé atómy, vrátane iných atómov uhlíka, a je schopný vytvárať množstvo stabilných kovalentných väzieb s vhodnými viacmocnými atómami. Je známe, že uhlík tvorí takmer desať miliónov rôznych zlúčenín, čo je veľká väčšina všetkých chemických zlúčenín. Uhlík má tiež najvyšší bod sublimácie zo všetkých prvkov. Pri atmosférickom tlaku nemá bod topenia, pretože jeho trojitý bod je 10,8 ± 0,2 MPa a 4600 ± 300 K (~4330 °C alebo 7820 °F), takže sublimuje pri teplote asi 3900 K. Grafit je oveľa reaktívnejší ako diamant. štandardných podmienkach, napriek tomu, že je termodynamicky stabilnejší, pretože jeho delokalizovaný pí systém je oveľa zraniteľnejší voči útoku. Napríklad grafit môže byť oxidovaný horúcou koncentrovanou kyselinou dusičnou za štandardných podmienok na kyselinu mellitovú C6(CO2H)6, ktorá si zachováva šesťuholníkové jednotky grafitu a zároveň ničí väčšiu štruktúru. Uhlík sublimuje v uhlíkovom oblúku, ktorého teplota je približne 5 800 K (5 530 °C, 9 980 °F). Bez ohľadu na svoju alotropickú formu teda uhlík zostáva pevný pri teplotách vyšších ako sú najvyššie body topenia, ako je volfrám alebo rénium. Hoci je uhlík termodynamicky náchylný na oxidáciu, je voči oxidácii odolnejší ako prvky ako železo a meď, ktoré sú pri izbovej teplote slabšími redukčnými činidlami. Uhlík je šiesty prvok so základnou elektronickou konfiguráciou 1s22s22p2, z ktorých vonkajšie štyri elektróny sú valenčné elektróny. Jeho prvé štyri ionizačné energie sú 1086,5, 2352,6, 4620,5 a 6222,7 kJ/mol, oveľa vyššie ako u ťažších prvkov skupiny 14. Elektronegativita uhlíka je 2,5, výrazne vyššia ako u ťažších prvkov skupiny 14 (1,8-1,9), ale je blízka na väčšinu susedných nekovov, ako aj na niektoré prechodné kovy druhého a tretieho radu. Kovalentné polomery uhlíka sa vo všeobecnosti považujú za 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) a 60,3 pm (C≡C), hoci sa môžu meniť v závislosti od koordinačného čísla a toho, čo je viazané na uhlík. Vo všeobecnosti sa kovalentný polomer zmenšuje so znižovaním koordinačného čísla a zvyšovaním poradia väzieb. Zlúčeniny uhlíka tvoria základ všetkého známeho života na Zemi a cyklus uhlík-dusík poskytuje časť energie uvoľnenej Slnkom a inými hviezdami. Hoci uhlík tvorí mimoriadnu rozmanitosť zlúčenín, väčšina foriem uhlíka je za normálnych podmienok relatívne nereaktívna. Pri štandardných teplotách a tlakoch znesie uhlík všetky oxidačné činidlá okrem najsilnejších. Nereaguje s kyselinou sírovou, kyselinou chlorovodíkovou, chlórom ani zásadami. Pri zvýšených teplotách uhlík reaguje s kyslíkom za vzniku oxidov uhlíka a odstraňuje kyslík z oxidov kovov, pričom zostáva elementárny kov. Táto exotermická reakcia sa používa v železiarskom a oceliarskom priemysle na tavenie železa a reguláciu obsahu uhlíka v oceli:

Fe3O4 + 4 C (s) → 3 Fe (s) + 4 CO (g)

so sírou za vzniku sírouhlíka a s parou pri reakcii uhoľný plyn:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Uhlík sa spája s určitými kovmi pri vysokých teplotách a vytvára karbidy kovov, ako je cementit z karbidu železa v oceli a karbidu volfrámu, široko používané ako brúsivo a na vytváranie tvrdých bodov pre rezné nástroje. Systém uhlíkových alotropov zahŕňa niekoľko extrémov:

Niektoré formy grafitu sa používajú na tepelnú izoláciu (ako sú protipožiarne bariéry a tepelné štíty), ale niektoré iné formy sú dobrými tepelnými vodičmi. Diamant je najznámejší prírodný vodič tepla. Grafit je nepriehľadný. Diamant je veľmi priehľadný. Grafit kryštalizuje v hexagonálnej sústave. Diamant kryštalizuje v kubickej sústave. Amorfný uhlík je úplne izotropný. Uhlíkové nanorúrky patria medzi najznámejšie anizotropné materiály.

Alotropy uhlíka

Atómový uhlík je druh s veľmi krátkou životnosťou, a preto je uhlík stabilizovaný v rôznych polyatómových štruktúrach s rôznymi molekulárnymi konfiguráciami nazývanými alotropy. Tri pomerne dobre známe alotropy uhlíka sú amorfný uhlík, grafit a diamant. Fullerény, ktoré boli predtým považované za exotické, sa dnes bežne syntetizujú a používajú vo výskume; patria sem buckyballs, uhlíkové nanorúrky, uhlíkové nanobodky a nanovlákna. Bolo objavených aj niekoľko ďalších exotických alotropov, ako je lonsaletit, sklený uhlík, nanofaum uhlík a lineárny acetylénový uhlík (karbín). Od roku 2009 je grafén považovaný za najsilnejší materiál, aký bol kedy testovaný. Proces jeho oddeľovania od grafitu si bude vyžadovať ďalší technologický vývoj, kým sa stane ekonomickým pre priemyselné procesy. V prípade úspechu by sa grafén mohol použiť pri konštrukcii vesmírnych výťahov. Môže sa tiež použiť na bezpečné skladovanie vodíka na použitie v motoroch na báze vodíka v automobiloch. Amorfná forma je súborom atómov uhlíka v nekryštalickom, nepravidelnom, sklovitom stave, a nie v kryštalickej makroštruktúre. Je prítomný v práškovej forme a je hlavnou zložkou látok ako drevené uhlie, lampové sadze (sadze) a aktívne uhlie. Za normálnych tlakov má uhlík formu grafitu, v ktorom je každý atóm trigonálne viazaný tromi ďalšími atómami v rovine pozostávajúcej z kondenzovaných šesťuholníkových kruhov, ako v aromatických uhľovodíkoch. Výsledná sieť je dvojrozmerná a výsledné ploché listy sú zložené a voľne spojené slabými van der Waalsovými silami. To dáva grafitu jeho mäkkosť a vlastnosti štiepenia (plechy sa po sebe ľahko posúvajú). V dôsledku delokalizácie jedného z vonkajších elektrónov každého atómu, aby sa vytvoril π oblak, grafit vedie elektrinu, ale iba v rovine každého kovalentne viazaného listu. To má za následok nižšiu elektrickú vodivosť uhlíka ako u väčšiny kovov. Delokalizácia tiež vysvetľuje energetickú stabilitu grafitu oproti diamantu pri izbovej teplote. Pri veľmi vysokých tlakoch vytvára uhlík kompaktnejší allotrop, diamant, ktorý má takmer dvojnásobnú hustotu ako grafit. Tu je každý atóm tetraedricky spojený so štyrmi ďalšími, čím vytvára trojrozmernú sieť zvrásnených šesťčlenných kruhov atómov. Diamant má rovnakú kubickú štruktúru ako kremík a germánium a vďaka sile väzieb uhlík-uhlík je to najtvrdšia prírodná látka, meraná odolnosťou proti poškriabaniu. Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, že „diamanty sú navždy“, sú za normálnych podmienok termodynamicky nestabilné a menia sa na grafit. Vďaka vysokej bariére aktivačnej energie je prechod do grafitovej formy pri normálnych teplotách taký pomalý, že je nedetegovateľný. Za určitých podmienok uhlík kryštalizuje ako lonsalit, hexagonálna kryštálová mriežka so všetkými atómami kovalentne viazanými a vlastnosťami podobnými diamantu. Fullerény sú syntetický kryštalický útvar so štruktúrou podobnou grafitu, ale namiesto šesťuholníkov sú fulerény zložené z päťuholníkov (alebo dokonca sedemuholníkov) atómov uhlíka. Chýbajúce (alebo nadbytočné) atómy deformujú listy na gule, elipsy alebo valce. Vlastnosti fullerénov (rozdelených na buckyballs, bakitubes a nanobad) ešte nie sú úplne analyzované a predstavujú intenzívnu oblasť výskumu nanomateriálov. Názvy „fullerén“ a „buckyball“ sa spájajú s menom Richarda Buckminstera Fullera, popularizátora geodetických kupol, ktoré svojou štruktúrou pripomínajú fullerény. Buckyballs sú pomerne veľké molekuly tvorené výlučne z uhlíkových väzieb trigonálnym spôsobom, pričom tvoria sféroidy (najznámejší a najjednoduchší je buckynysterfellerene C60 v tvare futbalu). Uhlíkové nanorúrky sú štrukturálne podobné buckyballs, až na to, že každý atóm je trigonálne spojený v zakrivenom plechu, ktorý tvorí dutý valec. Nanoguľôčky boli prvýkrát predstavené v roku 2007 a sú to hybridné materiály (buckyballs sú kovalentne viazané na vonkajšiu stenu nanotrubice), ktoré spájajú vlastnosti oboch v jednej štruktúre. Z ďalších objavených alotropov je uhlíková nanopena feromagnetický alotrop objavený v roku 1997. Pozostáva z klastrovej zostavy atómov uhlíka s nízkou hustotou natiahnutých dohromady do voľnej trojrozmernej siete, v ktorej sú atómy trigonálne spojené v šesť- a sedemčlenných kruhoch. Patrí medzi najľahšie pevné látky s hustotou okolo 2 kg/m3. Rovnako sklovitý uhlík obsahuje vysoký podiel uzavretej pórovitosti, ale na rozdiel od bežného grafitu nie sú grafitové vrstvy naskladané ako stránky v knihe, ale sú usporiadané viac náhodne. Lineárny acetylénový uhlík má chemickú štruktúru - (C:::C)n-. Uhlík v tejto modifikácii je lineárny s sp orbitálnou hybridizáciou a je polymérom so striedajúcimi sa jednoduchými a trojitými väzbami. Tento karbín je veľmi zaujímavý pre nanotechnológiu, pretože jeho Youngov modul je štyridsaťkrát väčší ako modul najtvrdšieho materiálu, diamantu. V roku 2015 tím z University of North Carolina oznámil vývoj ďalšieho allotropu, ktorý nazvali Q-carbon, vytvoreného vysokoenergetickým laserovým pulzom s nízkou dobou trvania na amorfnom uhlíkovom prachu. Uvádza sa, že Q-uhlík vykazuje feromagnetizmus, fluorescenciu a má vyššiu tvrdosť ako diamanty.

Prevalencia

Uhlík je štvrtý najrozšírenejší chemický prvok vo vesmíre podľa hmotnosti, po vodíku, héliu a kyslíku. Uhlík je bohatý na Slnko, hviezdy, kométy a atmosféru väčšiny planét. Niektoré meteority obsahujú mikroskopické diamanty, ktoré vznikli, keď bola slnečná sústava ešte protoplanetárnym diskom. Mikroskopické diamanty sa môžu vytvárať aj pod silným tlakom a vysokou teplotou v oblastiach dopadu meteoritu. V roku 2014 NASA oznámila aktualizovanú databázu na sledovanie polycyklických aromatických uhľovodíkov (PAH) vo vesmíre. Viac ako 20 % uhlíka vo vesmíre môže byť spojených s PAH, komplexnými zlúčeninami uhlíka a vodíka bez kyslíka. Tieto zlúčeniny sú súčasťou globálnej hypotézy PAH, kde sa predpokladá, že zohrávajú úlohu v abiogenéze a formovaní života. Zdá sa, že PAH sa vytvorili „pár miliárd rokov“ po Veľkom tresku, sú rozšírené po celom vesmíre a sú spojené s novými hviezdami a exoplanétami. Odhaduje sa, že zemská kôra ako celok obsahuje 730 ppm uhlíka, pričom 2 000 ppm obsahuje jadro a 120 ppm kombinovaný plášť a kôra. Keďže hmotnosť Zeme je 5,9 72 × 1024 kg, znamenalo by to 4360 miliónov gigaton uhlíka. To je oveľa viac ako množstvo uhlíka v oceánoch alebo atmosfére (nižšie). V kombinácii s kyslíkom v oxide uhličitom sa uhlík nachádza v zemskej atmosfére (približne 810 gigaton uhlíka) a je rozpustený vo všetkých vodných plochách (približne 36 000 gigaton uhlíka). V biosfére je asi 1900 gigaton uhlíka. Uhľovodíky (ako uhlie, ropa a zemný plyn) tiež obsahujú uhlík. "Zásoby" uhlia (nie "zdroje") sú asi 900 gigaton s možno 18 000 Gt zdrojov. Zásoby ropy dosahujú približne 150 gigaton. Overené zdroje zemného plynu sú asi 175 1012 metrov kubických (obsahujúcich asi 105 gigaton uhlíka), ale štúdie odhadujú ďalších 900 1012 metrov kubických z „nekonvenčných“ ložísk, ako je bridlicový plyn, čo predstavuje asi 540 gigaton uhlíka. Uhlík bol nájdený aj v hydrátoch metánu v polárnych oblastiach a pod morom. Podľa rôznych odhadov je množstvo tohto uhlíka 500, 2500 Gt alebo 3000 Gt. V minulosti bolo množstvo uhľovodíkov väčšie. Podľa jedného zdroja sa medzi rokmi 1751 a 2008 uvoľnilo do atmosféry asi 347 gigaton uhlíka ako oxid uhličitý do atmosféry zo spaľovania fosílnych palív. Ďalší zdroj pridáva množstvo pridané do atmosféry od roku 1750 na 879 Gt a celkové množstvo v atmosfére, mori a súši (napr. rašeliniská) je takmer 2 000 Gt. Uhlík je zložkou (12 % hmotnosti) veľmi veľkých hmôt karbonátových hornín (vápenec, dolomit, mramor atď.). Uhlie obsahuje veľmi vysoké množstvo uhlíka (antracit obsahuje 92 – 98 % uhlíka) a je najväčším komerčným zdrojom minerálneho uhlíka, ktorý predstavuje 4 000 gigaton alebo 80 % fosílnych palív. Pokiaľ ide o jednotlivé uhlíkové allotropy, grafit sa vo veľkých množstvách nachádza v Spojených štátoch amerických (hlavne v New Yorku a Texase), Rusku, Mexiku, Grónsku a Indii. Prírodné diamanty sa nachádzajú v skalnom kimberlite obsiahnutom v starovekých sopečných „krkoch“ alebo „komínoch“. Najviac diamantových ložísk sa nachádza v Afrike, najmä v Južnej Afrike, Namíbii, Botswane, Konžskej republike a Sierra Leone. Ložiská diamantov boli nájdené aj v Arkansase, Kanade, Ruskej Arktíde, Brazílii a Severnej a Západnej Austrálii. Diamanty sa teraz získavajú aj z dna oceánu pri Myse dobrej nádeje. Diamanty sa vyskytujú prirodzene, ale v súčasnosti produkujú asi 30% všetkých priemyselných diamantov používaných v Spojených štátoch. Uhlík-14 sa tvorí v hornej troposfére a stratosfére vo výškach 9-15 km reakciou, ktorá je ukladaná kozmickým žiarením. Vznikajú tepelné neutróny, ktoré sa zrážajú s jadrami dusíka-14 za vzniku uhlíka-14 a protónu. 1,2 × 1010 % atmosférického oxidu uhličitého teda obsahuje uhlík-14. Asteroidy bohaté na uhlík sú relatívne dominantné vo vonkajších častiach pásu asteroidov v našej slnečnej sústave. Tieto asteroidy zatiaľ vedci priamo nepreskúmali. Asteroidy by mohli byť použité pri hypotetickej vesmírnej ťažbe uhlia, čo by v budúcnosti mohlo byť možné, ale v súčasnosti je to technologicky nemožné.

Izotopy uhlíka

Izotopy uhlíka sú atómové jadrá, ktoré obsahujú šesť protónov plus určitý počet neutrónov (2 až 16). Uhlík má dva stabilné, prirodzene sa vyskytujúce izotopy. Izotop uhlík-12 (12C) tvorí 98,93 % uhlíka na Zemi a uhlík-13 (13C) tvorí zvyšných 1,07 %. Koncentrácia 12C sa v biologických materiáloch ďalej zvyšuje, pretože biochemické reakcie diskriminujú 13C. V roku 1961 Medzinárodná únia čistej a aplikovanej chémie (IUPAC) prijala izotop uhlík-12 ako základ pre atómové hmotnosti. Identifikácia uhlíka v experimentoch nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) sa uskutočňuje s izotopom 13C. Uhlík-14 (14C) je prirodzene sa vyskytujúci rádioizotop vytvorený v hornej atmosfére (spodná stratosféra a horná troposféra) interakciou dusíka s kozmickým žiarením. Na Zemi sa nachádza v stopových množstvách v množstve až 1 diel na bilión (0,0000000001 %), najmä v atmosfére a povrchových sedimentoch, najmä v rašeline a iných organických materiáloch. Tento izotop sa rozpadá počas β-emisie 0,158 MeV. Kvôli relatívne krátkemu polčasu rozpadu 5 730 rokov sa 14C v starovekých horninách prakticky nevyskytuje. V atmosfére a v živých organizmoch je množstvo 14C takmer konštantné, ale po smrti v organizmoch klesá. Tento princíp sa používa pri rádiokarbónovom datovaní, vynájdenom v roku 1949, ktorý bol široko používaný na datovanie uhlíkatých materiálov starých až 40 000 rokov. Existuje 15 známych izotopov uhlíka a najkratší je izotop 8C, ktorý sa rozpadá emisiou protónov a rozpadom alfa a má polčas rozpadu 1,98739 x 10-21 s. Exotická 19C vykazuje jadrové halo, čo znamená, že jej polomer je výrazne väčší, než by sa dalo očakávať, keby jadro bola guľa s konštantnou hustotou.

Vzdelávanie vo hviezdach

Vytvorenie atómového jadra uhlíka si vyžaduje takmer súčasnú trojitú zrážku častíc alfa (jadrá hélia) v jadre obrovskej alebo superobrovskej hviezdy, ktorá je známa ako proces trojitého alfa, pretože produkty ďalších reakcií jadrovej fúzie hélia s vodík alebo iné jadro hélia produkujú lítium-5 a berýlium-8, ktoré sú veľmi nestabilné a takmer okamžite sa rozpadajú späť na menšie jadrá. K tomu dochádza v podmienkach teplôt vyšších ako 100 megacalvínov a koncentrácií hélia, ktoré sú neprijateľné pri rýchlej expanzii a ochladzovaní raného vesmíru, a preto počas Veľkého tresku nevznikli žiadne významné množstvá uhlíka. Podľa modernej teórie fyzikálnej kozmológie sa uhlík tvorí vo vnútri hviezd v horizontálnej vetve zrážkou a premenou troch jadier hélia. Keď tieto hviezdy zahynú ako supernovy, uhlík sa rozptýli do vesmíru ako prach. Tento prach sa stáva stavebným materiálom pre vznik hviezdnych systémov druhej alebo tretej generácie s nahromadenými planétami. Slnečná sústava je jedným z takýchto hviezdnych systémov s množstvom uhlíka, čo umožňuje existenciu života, ako ho poznáme. Cyklus CNO je ďalší fúzny mechanizmus, ktorý poháňa hviezdy, kde uhlík pôsobí ako katalyzátor. Rotačné prechody rôznych izotopových foriem oxidu uhoľnatého (napríklad 12CO, 13CO a 18CO) sa detegujú v submilimetrovom rozsahu vlnových dĺžok a používajú sa pri štúdiu novovznikajúcich hviezd v molekulárnych oblakoch.

Uhlíkový cyklus

V pozemských podmienkach je premena jedného prvku na druhý veľmi zriedkavý jav. Preto je množstvo uhlíka na Zemi efektívne konštantné. V procesoch, ktoré využívajú uhlík, sa teda musí odniekiaľ získať a niekde inde využiť. Cesty uhlíka v prostredí tvoria uhlíkový cyklus. Napríklad fotosyntetické rastliny extrahujú oxid uhličitý z atmosféry (alebo morskej vody) a zabudovávajú ho do biomasy, ako v Calvinovom cykle, v procese fixácie uhlíka. Časť tejto biomasy jedia zvieratá, zatiaľ čo časť uhlíka zvieratá vydychujú vo forme oxidu uhličitého. Cyklus uhlíka je oveľa zložitejší ako tento krátky cyklus; napríklad časť oxidu uhličitého sa rozpúšťa v oceánoch; ak ho baktérie nespotrebujú, mŕtva rastlinná alebo živočíšna hmota sa môže stať ropou alebo uhlím, ktoré pri spaľovaní uvoľňuje uhlík.

Zlúčeniny uhlíka

Uhlík môže vytvárať veľmi dlhé reťazce vzájomne prepojených väzieb uhlík-uhlík, čo je vlastnosť nazývaná tvorba reťazcov. Väzby uhlík-uhlík sú stabilné. Vďaka katanácii (tvorbe reťazca) tvorí uhlík nespočetné množstvo zlúčenín. Hodnotenie unikátnych zlúčenín ukazuje, že viac z nich obsahuje uhlík. Podobné tvrdenie možno urobiť pre vodík, pretože väčšina organických zlúčenín tiež obsahuje vodík. Najjednoduchšou formou organickej molekuly je uhľovodík, veľká skupina organických molekúl, ktoré pozostávajú z atómov vodíka viazaných na reťazec atómov uhlíka. Dĺžka reťazca, bočné reťazce a funkčné skupiny ovplyvňujú vlastnosti organických molekúl. Uhlík sa nachádza vo všetkých formách známeho organického života a je základom organickej chémie. V kombinácii s vodíkom vytvára uhlík rôzne uhľovodíky, ktoré sú dôležité pre priemysel ako chladivá, mazivá, rozpúšťadlá, chemické suroviny pre plasty a ropné produkty a ako fosílne palivá. V kombinácii s kyslíkom a vodíkom môže uhlík tvoriť mnohé skupiny dôležitých biologických zlúčenín, vrátane cukrov, lignanov, chitínov, alkoholov, tukov a aromatických esterov, karotenoidov a terpénov. Uhlík tvorí s dusíkom alkaloidy a s prídavkom síry aj antibiotiká, aminokyseliny a gumové produkty. S pridaním fosforu k týmto ďalším prvkom tvorí DNA a RNA, nosiče chemického kódu života, a adenozíntrifosfát (ATP), najdôležitejšiu molekulu transportu energie vo všetkých živých bunkách.

Anorganické zlúčeniny

Typicky sa zlúčeniny obsahujúce uhlík, ktoré sú spojené s minerálmi alebo ktoré neobsahujú vodík alebo fluór, spracovávajú oddelene od klasických organických zlúčenín; táto definícia nie je striktná. Medzi nimi sú jednoduché oxidy uhlíka. Najznámejším oxidom je oxid uhličitý (CO2). Táto látka bola kedysi hlavnou zložkou paleoatmosféry, dnes je však menšou zložkou zemskej atmosféry. Po rozpustení vo vode táto látka vytvára oxid uhličitý (H2CO3), ale ako väčšina zlúčenín s niekoľkými monokyslíkmi na jednom uhlíku je nestabilná. Prostredníctvom tejto medzilátky sa však vytvárajú rezonančné stabilizované uhličitanové ióny. Niektoré dôležité minerály sú uhličitany, najmä kalcit. Sirouhlík (CS2) je podobný. Ďalším bežným oxidom je oxid uhoľnatý (CO). Vzniká pri nedokonalom spaľovaní a je to bezfarebný plyn bez zápachu. Každá molekula obsahuje trojitú väzbu a je celkom polárna, čo spôsobuje, že sa neustále viaže na molekuly hemoglobínu, čím vytláča kyslík, ktorý má nižšiu väzbovú afinitu. Kyanid (CN-) má podobnú štruktúru, ale správa sa ako halogenidové ióny (pseudohalogén). Napríklad môže tvoriť molekulu nitrid kyanogénu (CN)2, podobne ako halogenidy rozsievky. Ďalšie menej časté oxidy sú suboxid uhoľnatý (C3O2), nestabilný oxid uhoľnatý (C2O), oxid uhoľnatý (CO3), cyklopentánpeptón (C5O5), cyklohexánhexón (C6O6) a anhydrid kyseliny mellitovej (C12O9). S reaktívnymi kovmi, ako je volfrám, uhlík tvorí buď karbidy (C4-) alebo acetylidy (C2-2), čím vznikajú zliatiny s vysokými teplotami topenia. Tieto anióny sú tiež spojené s metánom a acetylénom, pričom obe sú veľmi slabé kyseliny. Pri elektronegativite 2,5 uhlík uprednostňuje vytváranie kovalentných väzieb. Niektoré karbidy sú kovalentné mriežky, ako napríklad karborundum (SiC), ktoré sa podobá diamantu. Avšak ani najpolárnejšie a najslanejšie karbidy nie sú úplne iónové zlúčeniny.

Organokovové zlúčeniny

Organokovové zlúčeniny podľa definície obsahujú aspoň jednu väzbu uhlík-kov. Existuje široká škála takýchto zlúčenín; hlavné triedy zahŕňajú jednoduché alkylkovové zlúčeniny (napr. tetraetylalid), r|2-alkénové zlúčeniny (napr. Zeise soľ) a r|3-alylové zlúčeniny (napr. dimér alylpaládiumchloridu); metalocény obsahujúce cyklopentadienylové ligandy (napr. ferocén); a karbénové komplexy prechodných kovov. Existuje veľa karbonylov kovov (napr. tetrakarbonylnikel); Niektorí pracovníci sa domnievajú, že ligand oxidu uhoľnatého je skôr čisto anorganická ako organokovová zlúčenina. Zatiaľ čo sa predpokladá, že uhlík tvorí výlučne štyri väzby, bola opísaná zaujímavá zlúčenina obsahujúca oktaedrický hexakoordinačný atóm uhlíka. Katión tejto zlúčeniny je 2+. Tento jav sa vysvetľuje aurofilitou zlatých ligandov. V roku 2016 sa potvrdilo, že hexametylbenzén obsahuje atóm uhlíka so šiestimi väzbami namiesto obvyklých štyroch.

História a etymológia

Anglický názov uhlík pochádza z latinského carbo, čo znamená „uhlie“ a „drevené uhlie“, teda francúzske slovo charbon, čo znamená „drevené uhlie“. V nemčine, holandčine a dánčine sú názvy uhlíka Kohlenstoff, koolstof a kulstof, pričom všetky doslova znamenajú uhoľnú látku. Uhlík bol objavený v prehistorických dobách a bol známy vo forme sadzí a dreveného uhlia už v najstarších ľudských civilizáciách. Diamanty boli pravdepodobne známe už v roku 2500 pred Kristom. v Číne a uhlík vo forme dreveného uhlia bol vyrobený v rímskych časoch rovnakou chémiou ako dnes, zahrievaním dreva v pyramíde pokrytej hlinou, aby sa vylúčil vzduch. V roku 1722 René Antoine Ferjo de Reamur demonštroval, že železo sa premieňa na oceľ absorpciou látky, ktorá je dnes známa ako uhlík. V roku 1772 Antoine Lavoisier ukázal, že diamanty sú formou uhlíka; keď spálil vzorky dreveného uhlia a diamantu a zistil, že ani jeden neprodukuje vodu a že obe látky uvoľňujú rovnaké množstvo oxidu uhličitého na gram. V roku 1779 Karl Wilhelm Scheele ukázal, že grafit, ktorý bol považovaný za formu olova, bol namiesto toho identický s dreveným uhlím, ale s malou prímesou železa, a že pri oxidácii vytvára „vzdušnú kyselinu“ (čo je oxid uhličitý). kyselina dusičná. V roku 1786 francúzski vedci Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge a C. A. Vandermonde potvrdili, že grafit bol primárne uhlík oxidáciou v kyslíku v podstate rovnakým spôsobom ako Lavoisier s diamantom. Zostalo opäť nejaké železo, o ktorom sa francúzski vedci domnievali, že je potrebné pre štruktúru grafitu. Vo svojej publikácii navrhli názov uhlík (lat. carbonum) pre prvok v grafite, ktorý sa uvoľnil ako plyn pri spaľovaní grafitu. Antoine Lavoisier potom vo svojej učebnici z roku 1789 uviedol uhlík ako prvok. Nový alotrop uhlíka, fullerén, ktorý bol objavený v roku 1985, zahŕňa nanoštruktúrované formy, ako sú buckyballs a nanorúrky. Ich objavitelia Robert Curl, Harold Croteau a Richard Smalley dostali v roku 1996 Nobelovu cenu za chémiu. Výsledný obnovený záujem o nové formy vedie k objavu ďalších exotických alotropov, vrátane sklovitého uhlíka, a k poznaniu, že „amorfný uhlík“ nie je striktne amorfný.

Výroba

Grafit

Komerčne životaschopné prírodné ložiská grafitu sa vyskytujú v mnohých častiach sveta, ale ekonomicky najdôležitejšie zdroje sa nachádzajú v Číne, Indii, Brazílii a Severnej Kórei. Ložiská grafitu sú metamorfného pôvodu, nachádzajú sa v spojení s kremeňom, sľudou a živcami v bridliciach, rulách a metamorfovaných pieskovcoch a vápencoch vo forme šošoviek alebo žíl, niekedy s hrúbkou niekoľko metrov a viac. Zásoba grafitu v Borrowdale, Cumberland, Anglicko, mala spočiatku dostatočnú veľkosť a čistotu, takže až do 19. storočia sa ceruzky vyrábali jednoducho pílením blokov prírodného grafitu na pásiky pred lepením pásikov do dreva. Dnes sa menšie ložiská grafitu vyrábajú drvením materskej horniny a plavením ľahšieho grafitu na vode. Existujú tri druhy prírodného grafitu – amorfný, vločkový alebo kryštalický. Amorfný grafit je najmenej kvalitný a je najbežnejší. Na rozdiel od vedy, v priemysle "amorfný" znamená skôr veľmi malú veľkosť kryštálov než úplný nedostatok kryštalickej štruktúry. Slovo „amorfný“ sa používa na označenie produktov s nízkym obsahom grafitu a je najlacnejším grafitom. Veľké ložiská amorfného grafitu sa nachádzajú v Číne, Európe, Mexiku a USA. Plochý grafit je menej bežný a kvalitnejší ako amorfný; javí sa ako jednotlivé platne, ktoré kryštalizujú v metamorfovaných horninách. Cena zrnitého grafitu môže byť štyrikrát vyššia ako cena amorfného grafitu. Vločkový grafit dobrej kvality možno spracovať na expandovateľný grafit pre mnohé aplikácie, ako sú spomaľovače horenia. Primárne ložiská grafitu sa nachádzajú v Rakúsku, Brazílii, Kanade, Číne, Nemecku a na Madagaskare. Tekutý alebo kusový grafit je najvzácnejší, najcennejší a najkvalitnejší druh prírodného grafitu. Nachádza sa v žilách pozdĺž rušivých kontaktov v tvrdých kusoch a komerčne sa ťaží iba na Srí Lanke. Podľa USGS bola celosvetová produkcia prírodného grafitu v roku 2010 1,1 milióna ton, pričom Čína vyprodukovala 800 000 ton, India 130 000 ton, Brazília 76 000 ton, Severná Kórea 30 000 ton a Kanada - 25 000 ton. V žiadnom prípade sa prírodný grafit neťažil , no v roku 2009 sa vyťažilo 118 000 ton syntetického grafitu v odhadovanej hodnote 998 miliónov dolárov.

diamant

Dodávku diamantov kontroluje obmedzený počet podnikov a je vysoko koncentrovaná v malom počte lokalít po celom svete. Len veľmi malý podiel diamantovej rudy tvoria skutočné diamanty. Ruda sa drví, pričom treba dbať na to, aby sa pri tom nezničili veľké diamanty a častice sa potom triedia podľa hustoty. Dnes sa diamanty ťažia do frakcie bohatej na diamanty pomocou röntgenovej fluorescencie, po ktorej sa finálne kroky triedenia vykonávajú manuálne. Pred rozšíreným používaním röntgenových lúčov sa separácia vykonávala pomocou mazacích pásov; Je známe, že diamanty boli objavené iba v aluviálnych ložiskách v južnej Indii. Je známe, že diamanty sa s väčšou pravdepodobnosťou prilepia na hmotu ako iné minerály v rude. India bola lídrom vo výrobe diamantov od ich objavenia okolo 9. storočia pred Kristom až do polovice 18. storočia nášho letopočtu, no komerčný potenciál týchto zdrojov sa koncom 18. storočia vyčerpal a dovtedy bola India zatienená tzv. Brazília, kde boli v roku 1725 nájdené prvé diamanty. Diamantová výroba primárnych ložísk (kimberlitov a lamproitov) sa začala až v 70. rokoch 19. storočia, po objavení diamantových ložísk v Južnej Afrike. Produkcia diamantov sa postupom času zvýšila a od tohto dátumu sa nahromadilo celkovo 4,5 miliardy karátov. Len za posledných 5 rokov sa vyprodukovalo asi 20 % tohto množstva a za posledných desať rokov sa začalo s produkciou 9 nových ložísk, pričom ďalšie 4 čakajú na skoré objavenie. Väčšina týchto ložísk sa nachádza v Kanade, Zimbabwe, Angole a jedno v Rusku. V USA boli diamanty objavené v Arkansase, Colorade a Montane. V roku 2004 úžasný objav mikroskopického diamantu v Spojených štátoch viedol v januári 2008 k uvoľneniu masívneho odberu vzoriek kimberlitových fajok v odľahlej časti Montany. Dnes sa väčšina komerčne životaschopných ložísk diamantov nachádza v Rusku, Botswane, Austrálii a Konžskej demokratickej republike. V roku 2005 Rusko produkovalo takmer pätinu svetovej ponuky diamantov, podľa British Geological Survey. Najbohatšia diamantová fajka v Austrálii dosiahla v 90. rokoch 20. storočia maximálnu produkciu 42 metrických ton (41 t; 46 malých ton) ročne. Existujú aj komerčné ložiská, ktorých aktívna produkcia sa vykonáva na severozápadných územiach Kanady, na Sibíri (najmä v Jakutsku, napríklad v Mir Pipe a v Udachnaya Pipe), v Brazílii, ako aj v severnej a západnej časti krajiny. Austrália.

Aplikácie

Uhlík je nevyhnutný pre všetky známe živé systémy. Bez nej je existencia života, ako ho poznáme, nemožná. Hlavným ekonomickým využitím uhlíka, okrem potravín a dreva, sú uhľovodíky, predovšetkým fosílne palivá, metán a ropa. Surovú ropu spracúvajú ropné rafinérie na výrobu benzínu, petroleja a iných produktov. Celulóza je prírodný polymér obsahujúci uhlík produkovaný rastlinami vo forme dreva, bavlny, ľanu a konope. Celulóza sa používa predovšetkým na udržanie štruktúry rastlín. Komerčne hodnotné uhlíkové polyméry pochádzajúce zo zvierat zahŕňajú vlnu, kašmír a hodváb. Plasty sa vyrábajú zo syntetických uhlíkových polymérov, často s atómami kyslíka a dusíka zahrnutými v pravidelných intervaloch v hlavnom polymérnom reťazci. Suroviny pre mnohé z týchto syntetických látok pochádzajú zo surovej ropy. Využitie uhlíka a jeho zlúčenín je mimoriadne rôznorodé. Uhlík môže vytvárať zliatiny so železom, z ktorých najbežnejšia je uhlíková oceľ. Grafit sa spája s hlinou a vytvára „olovo“ používané v ceruzkách používaných na písanie a kreslenie. Používa sa tiež ako mazivo a pigment, ako formovací materiál pri výrobe skla, v elektródach pre batérie so suchými článkami a pre galvanické pokovovanie a galvanoplastiku, v kefách pre elektromotory a ako moderátor neutrónov v jadrových reaktoroch. Uhlie sa používa ako materiál na výrobu umenia, ako gril, na tavenie železa a má mnoho ďalších využití. Drevo, uhlie a ropa sa používajú ako palivo na výrobu energie a vykurovanie. Pri výrobe šperkov sa používajú diamanty vysokej kvality a priemyselné diamanty sa používajú na vŕtanie, rezanie a leštenie nástrojov na opracovanie kovov a kameňa. Plasty sa vyrábajú z fosílnych uhľovodíkov a uhlíkové vlákna vyrobené pyrolýzou syntetických polyesterových vlákien sa používajú na spevnenie plastov, aby sa vytvorili pokročilé ľahké kompozitné materiály. Uhlíkové vlákno sa vyrába pyrolýzou extrudovaných a naťahovaných prameňov polyakrylonitrilu (PAN) a iných organických látok. Kryštalická štruktúra a mechanické vlastnosti vlákna závisia od typu východiskového materiálu a následného spracovania. Uhlíkové vlákna vyrobené z PAN majú štruktúru, ktorá sa podobá úzkym prameňom grafitu, ale tepelným spracovaním môže byť štruktúra preusporiadaná do súvislého listu. Vďaka tomu majú vlákna vyššiu špecifickú pevnosť v ťahu ako oceľ. Sadze sa používajú ako čierny pigment v tlačiarenských farbách, olejových farbách a umeleckých vodových farbách, uhlíkovom papieri, automobilovej povrchovej úprave, atramentoch a laserových tlačiarňach. Sadze sa tiež používajú ako plnivo do gumových výrobkov, ako sú pneumatiky, a do plastových zmesí. Aktívne uhlie sa používa ako absorbent a adsorbent vo filtračných médiách v rôznych aplikáciách, ako sú plynové masky, čistenie vody a kuchynské digestory, ako aj v medicíne na absorbovanie toxínov, jedov alebo plynov z tráviaceho systému. Uhlík sa používa pri chemickej redukcii pri vysokých teplotách. Koks sa používa na redukciu železnej rudy na železo (tavenie). Kalenie ocele sa dosahuje zahrievaním hotových oceľových komponentov v uhlíkovom prášku. Karbidy kremíka, volfrámu, bóru a titánu patria medzi najtvrdšie materiály a používajú sa ako brúsivá na rezanie a brúsenie. Uhlíkové zlúčeniny tvoria väčšinu materiálov používaných v odevoch, ako sú prírodné a syntetické textílie a koža, ako aj takmer všetky vnútorné povrchy v iných prostrediach ako sklo, kameň a kov.

Diamanty

Diamantový priemysel je rozdelený do dvoch kategórií, jednou z nich sú diamanty vysokej kvality (drahokamy) a druhou sú diamanty priemyselnej kvality. Hoci existuje veľký obchod s oboma typmi diamantov, tieto dva trhy fungujú veľmi odlišne. Na rozdiel od drahých kovov, ako je zlato alebo platina, sa s drahými diamantmi neobchoduje ako s komoditou: diamanty sa predávajú za značnú prémiu a trh s diamantmi nie je príliš aktívny. Priemyselné diamanty sú cenené predovšetkým pre svoju tvrdosť a tepelnú vodivosť, pričom gemologické vlastnosti čírosti a farby sú do značnej miery irelevantné. Asi 80 % vyťažených diamantov (čo sa rovná približne 100 miliónom karátov alebo 20 tonám ročne) je nepoužiteľných a používa sa v priemysle (diamantový šrot). Syntetické diamanty, vynájdené v 50. rokoch minulého storočia, našli priemyselné využitie takmer okamžite; Ročne sa vyrobí 3 miliardy karátov (600 ton) syntetických diamantov. Dominantné priemyselné využitie diamantu je rezanie, vŕtanie, brúsenie a leštenie. Väčšina z týchto aplikácií nevyžaduje veľké diamanty; v skutočnosti väčšina diamantov drahokamovej kvality, s výnimkou diamantov malých rozmerov, sa dá použiť priemyselne. Diamanty sa vkladajú do vrtákov alebo pílových listov alebo sa melú na prášok na použitie pri brúsení a leštení. Špecializované aplikácie zahŕňajú laboratórne použitie ako úložisko pre vysokotlakové experimenty, vysokovýkonné ložiská a obmedzené použitie v špeciálnych oknách. Vďaka pokroku vo výrobe syntetických diamantov sa nové aplikácie stávajú realizovateľnými. Veľká pozornosť bola venovaná možnému použitiu diamantu ako polovodiča vhodného pre mikročipy a pre jeho výnimočnú tepelnú vodivosť ako chladiča v elektronike.

Diamantová štruktúra (A) a grafit (b)

Uhlík(lat Carboneum) - C, chemický prvok IV. skupiny periodického systému Mendelejeva, atómové číslo 6, atómová hmotnosť 12,011. V prírode sa nachádza vo forme kryštálov diamantu, grafitu či fullerénu a iných formách a je súčasťou organických (uhlie, ropa, živočíšne a rastlinné organizmy a pod.) a anorganických látok (vápenec, sóda bikarbóna a pod.). Uhlík je rozšírený, ale jeho obsah v zemskej kôre je len 0,19%.

Uhlík je široko používaný vo forme jednoduchých látok. Okrem vzácnych diamantov, ktoré sú predmetom šperkov, majú priemyselné diamanty veľký význam pre výrobu brúsnych a rezných nástrojov. Drevené uhlie a iné amorfné formy uhlíka sa používajú na odfarbovanie, čistenie, adsorpciu plynov a v oblastiach techniky, kde sú potrebné adsorbenty s vyvinutým povrchom. Karbidy, zlúčeniny uhlíka s kovmi, ako aj s bórom a kremíkom (napríklad Al 4 C 3, SiC, B 4 C) sa vyznačujú vysokou tvrdosťou a používajú sa na výrobu brúsnych a rezných nástrojov. Uhlík je súčasťou ocelí a zliatin v elementárnom stave a vo forme karbidov. Nasýtenie povrchu oceľových odliatkov uhlíkom pri vysokých teplotách (karburizácia) výrazne zvyšuje tvrdosť povrchu a odolnosť proti opotrebeniu.

Historický odkaz

Grafit, diamant a amorfný uhlík sú známe už od staroveku. Už dlho je známe, že grafit je možné použiť na označenie iných materiálov a samotný názov „grafit“, ktorý pochádza z gréckeho slova znamenajúceho „písať“, navrhol A. Werner v roku 1789. História grafitu však je komplikovaný, často sa zaň mýlili látky s podobnými vonkajšími fyzikálnymi vlastnosťami, ako napríklad molybdenit (sulfid molybdénový), kedysi považovaný za grafit. Iné názvy pre grafit zahŕňajú „čierne olovo“, „karbidové železo“ a „strieborné olovo“.

V roku 1779 K. Scheele zistil, že grafit možno oxidovať vzduchom za vzniku oxidu uhličitého. Diamanty sa prvýkrát uplatnili v Indii av Brazílii sa drahokamy stali komerčne dôležitými v roku 1725; ložiská v Južnej Afrike boli objavené v roku 1867.

V 20. storočí Hlavnými producentmi diamantov sú Južná Afrika, Zair, Botswana, Namíbia, Angola, Sierra Leone, Tanzánia a Rusko. Umelé diamanty, ktorých technológia bola vytvorená v roku 1970, sa vyrábajú na priemyselné účely.

Vlastnosti

Existujú štyri známe kryštalické modifikácie uhlíka:

• grafit,
• diamant,
• karabína,
• lonsdaleite.

Grafit- sivočierna, nepriehľadná, na dotyk mastná, šupinatá, veľmi jemná hmota s kovovým leskom. Pri izbovej teplote a normálnom tlaku (0,1 Mn/m2 alebo 1 kgf/cm2) je grafit termodynamicky stabilný.

diamant- veľmi tvrdá, kryštalická látka. Kryštály majú plošne centrovanú kubickú mriežku. Pri izbovej teplote a normálnom tlaku je diamant metastabilný. Pozorovateľná premena diamantu na grafit sa pozoruje pri teplotách nad 1400 °C vo vákuu alebo v inertnej atmosfére. Pri atmosférickom tlaku a teplote okolo 3700 °C grafit sublimuje.

Tekutý uhlík možno získať pri tlakoch nad 10,5 Mn/m2 (105 kgf/cm2) a teplotách nad 3700 °C. Pevný uhlík (koks, sadze, drevené uhlie) je tiež charakterizovaný stavom s neusporiadanou štruktúrou - takzvaný „amorfný“ uhlík, ktorý nepredstavuje nezávislú modifikáciu; Jeho štruktúra je založená na štruktúre jemne kryštalického grafitu. Zahriatie niektorých druhov „amorfného“ uhlíka nad 1500-1600 °C bez prístupu vzduchu spôsobuje ich premenu na grafit.

Fyzikálne vlastnosti „amorfného“ uhlíka veľmi závisia od disperzie častíc a prítomnosti nečistôt. Hustota, tepelná kapacita, tepelná vodivosť a elektrická vodivosť „amorfného“ uhlíka sú vždy vyššie ako u grafitu.

Carbin získané umelo. Je to jemný kryštalický čierny prášok (hustota 1,9-2 g/cm3). Postavené z dlhých reťazcov atómov S, položené paralelne navzájom.

Lonsdaleite nachádzajúce sa v meteoritoch a získané umelo; jeho štruktúra a vlastnosti nie sú definitívne stanovené.

Zliatiny

Oceľ

Koks sa používa v metalurgii ako redukčné činidlo. Drevené uhlie - v kováčskych dielňach, na výrobu pušného prachu (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), na pohlcovanie plynov (adsorpcia) a tiež v každodennom živote. Sadze sa používajú ako gumové plnivo, na výrobu čiernych farieb - tlačiarenskej farby a atramentu, ako aj v suchých galvanických článkoch. Sklovitý uhlík sa používa na výrobu zariadení pre vysoko agresívne prostredie, ako aj v letectve a kozmonautike.

Aktívne uhlie absorbuje škodlivé látky z plynov a kvapalín: používa sa na plnenie plynových masiek, čistiacich systémov, v medicíne sa používa pri otravách.

Uhlík je základom všetkých organických látok. Akýkoľvek živý organizmus pozostáva z veľkej časti z uhlíka. Uhlík je základom života. Zdrojom uhlíka pre živé organizmy je zvyčajne CO 2 z atmosféry alebo vody. Prostredníctvom fotosyntézy sa dostáva do biologických potravinových reťazcov, v ktorých sa živé organizmy navzájom požierajú alebo navzájom požierajú zvyšky a získavajú tak uhlík na stavbu vlastného tela. Biologický cyklus uhlíka končí buď oxidáciou a návratom do atmosféry, alebo zakopaním vo forme uhlia či ropy.

Využitie rádioaktívneho izotopu 14 C prispelo k úspechu molekulárnej biológie pri štúdiu mechanizmov biosyntézy bielkovín a prenosu dedičnej informácie. Stanovenie špecifickej aktivity 14C v organických pozostatkoch obsahujúcich uhlík umožňuje posúdiť ich vek, čo sa používa v paleontológii a archeológii.

Zdroje

Uhlík (chemická značka - C) je chemický prvok 4. skupiny hlavnej podskupiny 2. periódy Mendelejevovej periodickej sústavy, poradové číslo 6, atómová hmotnosť prírodnej zmesi izotopov 12,0107 g/mol.

Pri bežných teplotách je uhlík chemicky inertný, pri dostatočne vysokých teplotách sa spája s mnohými prvkami a vykazuje silné redukčné vlastnosti. Chemická aktivita rôznych foriem uhlíka klesá v tomto poradí: amorfný uhlík, grafit, diamant, na vzduchu sa vznietia pri teplotách nad 300-500 °C, 600-700 °C a 850-1000 °C.

Izotopy:
Prírodný uhlík pozostáva z dvoch stabilných izotopov – 12C (98,892 %) a 13C (1,108 %) a jedného rádioaktívneho izotopu 14C (β-emitor, T½ = 5730 rokov), sústredených v atmosfére a hornej časti zemskej kôry. Neustále sa tvorí v spodných vrstvách stratosféry v dôsledku dopadu neutrónov z kozmického žiarenia na jadrá dusíka podľa reakcie: 14N (n, p) 14C, a tiež od polovice 50. rokov 20. storočia ako človek -vyrobený produkt jadrových elektrární a ako výsledok testovania vodíkových bômb.
Vznik a rozpad 14C je základom metódy rádiokarbónového datovania, ktorá je široko používaná v kvartérnej geológii a archeológii.

Alotropia:
Elektrónové orbitály atómu uhlíka môžu mať rôznu geometriu v závislosti od stupňa hybridizácie jeho elektrónových orbitálov. Existujú tri základné geometrie atómu uhlíka.

Tetraedrický, vytvorený zmiešaním jedného s- a troch p-elektrónov (hybridizácia sp3). Atóm uhlíka sa nachádza v strede štvorstenu a je spojený štyrmi ekvivalentnými σ-väzbami s uhlíkom alebo inými atómami vo vrcholoch štvorstenu. Tejto geometrii atómu uhlíka zodpovedajú uhlíkové alotropické modifikácie diamant a lonsdaleit. Uhlík vykazuje takúto hybridizáciu napríklad v metáne a iných uhľovodíkoch.

Trigonálny, vytvorený zmiešaním jedného s- a dvoch p-elektrónových orbitálov (sp²-hybridizácia). Atóm uhlíka má tri ekvivalentné väzby σ umiestnené v rovnakej rovine pod uhlom 120° navzájom. P-orbitál, ktorý sa nezúčastňuje hybridizácie, umiestnený kolmo na rovinu σ väzieb, sa používa na vytvorenie π väzby s inými atómami. Táto uhlíková geometria je charakteristická pre grafit, fenol atď.
- digonálny, vzniká zmiešaním jedného s- a jedného p-elektrónu (sp-hybridizácia). V tomto prípade sú dva elektrónové oblaky predĺžené v jednom smere a vyzerajú ako asymetrické činky. Ďalšie dva p elektróny vytvárajú π väzbu. Uhlík s takouto atómovou geometriou tvorí špeciálnu alotropickú modifikáciu - karbín.

Oxidačné stavy +4, −4, zriedkavo +2 (CO, karbidy kovov), +3 (C2N2, halokyanáty); elektrónová afinita 1,27 eV; Ionizačná energia počas postupného prechodu z C0 na C4+ je 11,2604, 24,383, 47,871 a 64,19 eV, v tomto poradí.

Chemické vlastnosti uhlíka
Interakcia s fluórom
Uhlík má nízku reaktivitu, z halogénov reaguje len s fluórom:

C + 2F2 = CF4.

Interakcia s kyslíkom
Pri zahrievaní reaguje s kyslíkom:

2C + O2 = 2CO,

C + O2 = CO2,

tvoriace oxidy CO a CO2.

Interakcia s inými nekovmi
Reaguje so sírou:

neinteraguje s dusíkom a fosforom.

Reaguje s vodíkom v prítomnosti niklového katalyzátora a vytvára metán:

Interakcia s kovmi
Schopný interagovať s kovmi a vytvárať karbidy:
Ca + 2C = CaC2.

Interakcia s vodou
Keď vodná para prechádza horúcim uhlím, vytvára sa oxid uhoľnatý (II) a vodík:
C + H20 = CO + H2.

Obnovujúce vlastnosti
Uhlík je schopný redukovať mnohé kovy z ich oxidov:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.

Koncentrované kyseliny sírové a dusičné pri zahrievaní oxidujú uhlík na oxid uhoľnatý (IV):

C + 2H2S04 = C02 + 2S02 + 2H20;
C + 4HN03 = C02 + 4N02 + 2H20.

Mestská vzdelávacia inštitúcia "Nikiforovskaya stredná škola č. 1"

Uhlík a jeho hlavné anorganické zlúčeniny

Esej

Vyplnil: žiak ročníka 9B

Sidorov Alexander

Učiteľ: Sacharova L.N.

Dmitrievka 2009

Úvod

Kapitola I. Všetko o uhlíku

1.1. Uhlík v prírode

1.2. Alotropické modifikácie uhlíka

1.3. Chemické vlastnosti uhlíka

1.4. Aplikácia uhlíka

Kapitola II. Anorganické zlúčeniny uhlíka

Záver

Literatúra

Úvod

Uhlík (lat. Carboneum) C je chemický prvok IV. skupiny periodického systému Mendelejeva: atómové číslo 6, atómová hmotnosť 12.011(1). Zoberme si štruktúru atómu uhlíka. Vonkajšia energetická hladina atómu uhlíka obsahuje štyri elektróny. Znázornime to graficky:

Uhlík je známy už od staroveku a meno objaviteľa tohto prvku nie je známe.

Koncom 17. stor. Florentskí vedci Averani a Tardgioni sa pokúsili zlúčiť niekoľko malých diamantov do jedného veľkého a nahrievali ich horiacim sklom pomocou slnečného svetla. Diamanty zmizli a horeli vo vzduchu. V roku 1772 francúzsky chemik A. Lavoisier ukázal, že pri horení diamantov vzniká CO 2 . Až v roku 1797 anglický vedec S. Tennant dokázal identitu povahy grafitu a uhlia. Po spálení rovnakého množstva uhlia a diamantu sa objemy oxidu uhoľnatého (IV) ukázali byť rovnaké.

Rôznorodosť zlúčenín uhlíka, vysvetlená schopnosťou jeho atómov spájať sa navzájom a s atómami iných prvkov rôznymi spôsobmi, určuje osobitné postavenie uhlíka medzi ostatnými prvkami.

kapitola ja . Všetko o uhlíku

1.1. Uhlík v prírode

Uhlík sa v prírode nachádza vo voľnom stave aj vo forme zlúčenín.

Voľný uhlík sa vyskytuje vo forme diamantu, grafitu a karbínu.

Diamanty sú veľmi zriedkavé. Najväčší známy diamant Cullinan bol nájdený v roku 1905 v Južnej Afrike, vážil 621,2 g a meral 10 x 6,5 x 5 cm. Diamantový fond v Moskve ukrýva jeden z najväčších a najkrajších diamantov na svete – „Orlov“ (37,92 g) .

Diamant dostal svoje meno z gréčtiny. „adamas“ – neporaziteľný, nezničiteľný. Najvýznamnejšie náleziská diamantov sa nachádzajú v Južnej Afrike, Brazílii a Jakutsku.

Veľké ložiská grafitu sa nachádzajú v Nemecku, na Srí Lanke, na Sibíri a na Altaji.

Hlavnými minerálmi obsahujúcimi uhlík sú: magnezit MgCO 3, kalcit (vápenný kameň, vápenec, mramor, krieda) CaCO 3, dolomit CaMg(CO 3) 2 atď.

Všetky fosílne palivá – ropa, plyn, rašelina, uhlie a hnedé uhlie, bridlica – sú postavené na uhlíkovej báze. Niektoré fosílne uhlie, ktoré obsahujú až 99 % C, sú zložením blízke uhlíku.

Uhlík tvorí 0,1 % zemskej kôry.

Vo forme oxidu uhoľnatého (IV) CO 2 sa uhlík dostáva do atmosféry. V hydrosfére je rozpustené veľké množstvo CO 2 .

1.2. Alotropické modifikácie uhlíka

Elementárny uhlík tvorí tri alotropické modifikácie: diamant, grafit, karabín.

1. Diamant je bezfarebná, priehľadná kryštalická látka, ktorá mimoriadne silne láme svetelné lúče. Atómy uhlíka v diamante sú v stave sp 3 hybridizácie. V excitovanom stave sú valenčné elektróny v atómoch uhlíka spárované a vznikajú štyri nepárové elektróny. Keď sa vytvárajú chemické väzby, elektrónové oblaky nadobúdajú rovnaký pretiahnutý tvar a sú umiestnené v priestore tak, že ich osi smerujú k vrcholom štvorstenu. Keď sa vrcholy týchto oblakov prekrývajú s oblakmi iných atómov uhlíka, kovalentné väzby vznikajú pod uhlom 109°28" a vzniká atómová kryštálová mriežka charakteristická pre diamant.

Každý atóm uhlíka v diamante je obklopený štyrmi ďalšími, ktoré sa od neho nachádzajú v smere od stredu štvorstenov k vrcholom. Vzdialenosť medzi atómami v štvorstenoch je 0,154 nm. Sila všetkých spojení je rovnaká. Atómy v diamante sú teda „zabalené“ veľmi tesne. Pri 20 °C je hustota diamantu 3,515 g/cm3. To vysvetľuje jeho výnimočnú tvrdosť. Diamant je slabý vodič elektriny.

V roku 1961 Sovietsky zväz začal s priemyselnou výrobou syntetických diamantov z grafitu.

Pri priemyselnej syntéze diamantov sa používajú tlaky tisícok MPa a teploty od 1500 do 3000°C. Proces sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov, ktorými môžu byť niektoré kovy, napríklad Ni. Väčšinu vytvorených diamantov tvoria malé kryštály a diamantový prach.

Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nad 1000°C sa diamant mení na grafit. Pri teplote 1750 °C dochádza k rýchlej premene diamantu na grafit.

Diamantová štruktúra

2. Grafit je sivočierna kryštalická látka s kovovým leskom, mastná na dotyk a nižšou tvrdosťou ako papier.

Atómy uhlíka v grafitových kryštáloch sú v stave hybridizácie sp 2: každý z nich tvorí tri kovalentné σ väzby so susednými atómami. Uhly medzi smermi spoja sú 120°. Výsledkom je mriežka tvorená pravidelnými šesťuholníkmi. Vzdialenosť medzi susednými jadrami atómov uhlíka vo vrstve je 0,142 nm. Štvrtý elektrón vo vonkajšej vrstve každého uhlíkového atómu v grafite zaberá p orbitál, ktorý sa nezúčastňuje hybridizácie.

Nehybridné elektrónové oblaky atómov uhlíka sú orientované kolmo na rovinu vrstvy a navzájom sa prekrývajúce vytvárajú delokalizované σ väzby. Susedné vrstvy v grafitovom kryštáli sa nachádzajú vo vzdialenosti 0,335 nm od seba a sú navzájom slabo spojené, najmä van der Waalsovými silami. Preto má grafit nízku mechanickú pevnosť a ľahko sa štiepi na vločky, ktoré sú samotné veľmi pevné. Väzba medzi vrstvami uhlíkových atómov v grafite je čiastočne kovová. To vysvetľuje skutočnosť, že grafit vedie elektrinu dobre, ale nie tak dobre ako kovy.

Grafitová štruktúra

Fyzikálne vlastnosti grafitu sa značne líšia v smeroch - kolmých a rovnobežných s vrstvami atómov uhlíka.

Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nepodlieha grafit žiadnym zmenám až do 3700°C. Pri uvedenej teplote sublimuje bez topenia.

Umelý grafit sa vyrába z najlepších druhov uhlia pri 3000°C v elektrických peciach bez prístupu vzduchu.

Grafit je termodynamicky stabilný v širokom rozsahu teplôt a tlakov, preto je akceptovaný ako štandardný stav uhlíka. Hustota grafitu je 2,265 g/cm3.

3. Carbin je jemný kryštalický čierny prášok. Vo svojej kryštálovej štruktúre sú atómy uhlíka spojené striedajúcimi sa jednoduchými a trojitými väzbami v lineárnych reťazcoch:

−С≡С−С≡С−С≡С−

Túto látku prvýkrát získal V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatochkin, Yu.P. Kudryavtsev na začiatku 60-tych rokov XX storočia.

Následne sa ukázalo, že karbín môže existovať v rôznych formách a obsahuje polyacetylénové aj polykumulénové reťazce, v ktorých sú atómy uhlíka spojené dvojitými väzbami:

C=C=C=C=C=C=

Neskôr bol karbín nájdený v prírode - v meteoritovej hmote.

Carbyne má polovodivé vlastnosti, pri vystavení svetlu sa jeho vodivosť výrazne zvyšuje. V dôsledku existencie rôznych typov väzieb a rôznych spôsobov ukladania reťazcov uhlíkových atómov v kryštálovej mriežke sa fyzikálne vlastnosti karbínu môžu meniť v širokých medziach. Pri zahrievaní bez prístupu vzduchu nad 2000°C je karabína stabilná, pri teplotách okolo 2300°C je pozorovaný jej prechod na grafit.

Prírodný uhlík sa skladá z dvoch izotopov

Predtým sa verilo, že drevené uhlie, sadze a koks majú podobné zloženie ako čistý uhlík a líšia sa vlastnosťami od diamantu a grafitu, čo predstavuje nezávislú alotropickú modifikáciu uhlíka („amorfný uhlík“). Zistilo sa však, že tieto látky pozostávajú z drobných kryštalických častíc, v ktorých sú atómy uhlíka viazané rovnakým spôsobom ako v grafite.

4. Uhlie – jemne mletý grafit. Vzniká pri tepelnom rozklade zlúčenín obsahujúcich uhlík bez prístupu vzduchu. Uhlie sa svojimi vlastnosťami výrazne líši v závislosti od látky, z ktorej sa získava a spôsobu výroby. Vždy obsahujú nečistoty, ktoré ovplyvňujú ich vlastnosti. Najdôležitejšie druhy uhlia sú koks, drevené uhlie a sadze.

Koks sa vyrába ohrevom uhlia bez prístupu vzduchu.

Drevené uhlie vzniká pri zahrievaní dreva bez prístupu vzduchu.

Sadze sú veľmi jemný grafitový kryštalický prášok. Vzniká spaľovaním uhľovodíkov (zemný plyn, acetylén, terpentín a pod.) s obmedzeným prístupom vzduchu.

Aktívne uhlie sú porézne priemyselné adsorbenty pozostávajúce hlavne z uhlíka. Adsorpcia je absorpcia plynov a rozpustených látok povrchom pevných látok. Aktívne uhlie sa získava z tuhého paliva (rašelina, hnedé a čierne uhlie, antracit), dreva a jeho spracovaných produktov (drevené uhlie, piliny, papierový odpad), odpadu z kožiarskeho priemyslu a živočíšnych materiálov, ako sú kosti. Uhlie, vyznačujúce sa vysokou mechanickou pevnosťou, sa vyrába zo škrupín kokosových orechov a iných orechov a zo semien ovocia. Štruktúra uhlia je reprezentovaná pórmi všetkých veľkostí, avšak adsorpčná kapacita a rýchlosť adsorpcie sú určené obsahom mikropórov na jednotku hmotnosti alebo objemu granúl. Pri výrobe aktívneho uhlia sa východiskový materiál najskôr bez prístupu vzduchu podrobí tepelnému spracovaniu, čím sa z neho odstráni vlhkosť a čiastočne živice. V tomto prípade vzniká veľkopórovitá štruktúra uhlia. Na získanie mikroporéznej štruktúry sa aktivácia uskutočňuje buď oxidáciou plynom alebo parou, alebo pôsobením chemických činidiel.