Uhlík

Tento článek pojednává o chemickém prvku. Další významy jsou uvedeny v článku Uhlík (rozcestník).

Uhlík
Značka a latinský název	C, Carboneum
Stabilní izotopy	12,13
Relativní atomová hmotnost	12,01115(4) amu
Elektronová konfigurace	1s2 2s2 2p2
Skupenství	Pevné
Teplota tání	3527 °C (3800 K) (sublimace v atmosférickém tlaku)
Teplota varu	4027 °C (4300 K)
Elektronegativita (Pauling)	2,58
Hustota	2,27 g/cm3 (grafit) 3,513 g/cm3 (diamant)
Tvrdost	1,5 (grafit) 10 (diamant)
Registrační číslo CAS	7440-44-0
Měrný elektrický odpor při 20 °C	40 µΩ·m (vlákno) 8-10 µΩ·m (tuha) 40-60 µΩ·m (koks) 60 µΩ·m (retortový)
Teplotní součinitel elektrického odporu platí pro 20 °C	-0,00003 K-1 (vlákno) -0,0000003 K-1 (tuha) -0,00021 K-1 (koks) -0,0002 až -0,0008 K-1 (retortový)
Vzhled

Uhlík (chemická značka C, latinsky Carboneum) je chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organických sloučenin a tím i všech živých organismů na této planetě. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a tak silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. V současné době bylo popsáno přibližně 10 milionů organických sloučenin.

Formy uhlíku

Některé alotropní modifikace uhlíku: a) diamant, b) grafit, c) lonsdaleit, d) fulleren C₆₀, e) fulleren C₅₄₀, f) fulleren C₇₀, g) amorfní uhlík a h) jednostěnná uhlíková nanotrubice.

Elementární uhlík

Uhlík je typický nekovový prvek, který se v elementárním stavu jako minerál vyskytuje v přírodě ve dvou základních alotropních modifikacích a v posledních přibližně 30 letech byly objeveny v přírodě nebo laboratorně vytvořeny modifikace další:

Grafit (tuha) je nejčastější přírodní modifikace uhlíku, jejíž struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou kovalentně vázany další tři uhlíky (hybridizace sp²). Tvoří se zde rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů (π-systém). Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. van der Waalsovy síly. Této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek, kde mletá tuha tvoří základní složku tyčinky určené pro psaní a kreslení. Grafit vede elektrický proud.

Diamant je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem. Na každý uhlík jsou kovalentně vázany další čtyři uhlíky (hybridizace sp³). Hmotnost diamantů se udává v karátech, největším doposud nalezeným diamantem byl Cullinan, který v surovém stavu při nálezu v JAR dosáhl váhy 3 106 karátů. Diamanty se používají pro svou tvrdost a výbornou tepelnou vodivost (až 2300 W.m^-1.K^-1 při pokojové teplotě a normálním izotopickém složení a přes 4000 W.m^-1.K^-1 u izotopicky čištěného grafenu) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích. Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky.

Lonsdaleit, též zvaný "šesterečný diamant", je velmi řídce se vyskytující přírodní alotropní modifikací uhlíku. Jeho krystalová struktura je tvořena podobně jako u diamantu atomy uhlíku vázanými jednoduchými kovalentními vazbami se čtyřmi sousedy, krystalová soustava je však šesterečná. Původ přírodního lonsdaleitu je vysvětlován přeměnou grafitu při dopadech meteoritů.

Chaoit, též zvaný "bílý uhlík", je velmi řídce se vyskytující přírodní alotropní modifikace uhlíku, objevená r. 1968. Tento nerost krystalizuje v šesterečné soustavě. Původ je jako u lonsdaleitu vysvětlován přeměnou grafitu při dopadech meteoritů, v jejichž dopadových kráterech se nachází.

Grafen je forma uhlíku, kterou tvoří jedna či několik málo vrstev rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků. Jedná se o vlastně strukturní součást grafitu, která si vzhledem ke zvláštním fyzikálním vlastnostem a využitelností pro mnohé elektronické a optické aplikace zasloužila vlastní název i Nobelovu cenu za fyziku v r. 2010 pro své objevitele.

Fullereny označují nově objevené sférické (též elipsoidální či podobného tvaru) molekuly z jedné prostorově uzavřené vrstvy grafenu, tedy sítě uhlíkových atomů uspořádaných do šestiúhelníků, doplněných kvůli prostorovému uzavření dvanácti pětiúhelníky. Tyto molekuly jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fulleren je molekula, obsahující 60 uhlíkových atomů. Fullereny se uměle připravují pyrolýzou organických sloučenin laserem. Za objev a studium vlastností fullerenů byla v roce 1996 udělena Nobelova cena Robertu F. Curlovi a Richardu E. Smalleymu a Haroldu W. Krotoovi.

Fullerit se nazývá krystalová struktura tvořená fullereny C₆₀. Fullerit krystalizuje v krychlové soustavě (nad teplotou ~250 K v plošně centrované mřížce, pod teplotou ~220 K v prosté mřížce); někdy se uvádí i soustava čtverečná. Doposud nebyl uznán Mezinárodní mineralogickou asociací jako minerál.

Fullerenovou strukturu má pravděpodobně také tzv. skelný či sklovitý uhlík, vyrobený v 50. letech 20. století v laboratořích britské The Carborundum Company.

Uhlíkové nanotrubice jsou uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z válcově svinuté vrstvy grafenu o průměru pouhých několika (1 - 100) nanometrů. Perspektiva jejich využití se nabízí např. při výrobě velmi pevných a zároveň lehkých kompozitních materiálů a tkanin, v elektronice při výrobě mimořádně malých tranzistorů, jako ideálního materiálu pro uchovávání čistého vodíku pro palivové články a mnohé další.

Uhlíková nanopěna je řídká prostorová síť tvořená klastry uhlíkových atomů o velikosti několika nanometrů, které jsou podobné grafenu, ale protože atomy jsou uspořádány vedle šestiúhelníků také do sedmiúhelníků, je výsledná křivost na rozdíl od fullerenů záporná (hyperbolická). Tato modifikace byla vytvořena v r. 1997. Vyznačuje se pororuhodnými fyzikálními vlastnostmi – vedle elektrické vodivosti je silně paramagnetická.

Jako karbyn (někdy karbin podle ruského originálu, též "LAC" z anglického linear acetylenic carbon) se označuje forma tvořená lineárními molekulami polymerního uhlíku, zapsatelnými vzorcem $-(\mathrm{C} \equiv \mathrm{C})_n-$. Uhlíkové atomy s hybridizací sp jsou kovalentně vázany s dvěma sousedními atomy. Chemicky aktivní konce molekul se mohou vzájemně spojovat a vytvářet uzavřené molekulární řetězce. Karbyn se chová jako polovodič. Zájmem nanotechnologů jsou i jeho mechanické vlastnosti - při dobrém rovnoběžném uspořádání makromolekul se v daném směru vyznačuje modulem pružnosti 40krát vyšším než má diamant. Karbyn byl připraven v 60. letech 20. století v Ústavu organických sloučenin Akademie věd SSSR. Někdy je jeho existence jako alotropní modifikace uhlíku zpochybňována.

Amorfní uhlík je forma uhlíku bez pravidelné krystalové struktury. Obsahuje atomy uhlíku jak s hybridizací sp² (vázaný s třemi sousedními atomy), tak i sp³ (vázaný s čtymi sousedními atomy) v různém poměru, přičemž může obsahovat jak velké vakance, tak i nanokrystaly grafitu nebo diamantu v amorfní uhlíkové matrici. Pro praktické využití se připravuje např. jako tzv. aktivní uhlí.

Anorganické sloučeniny

V anorganických chemických sloučeninách se uhlík vyskytuje v mocenství +2, +4 a -1.

Z oxidů je důležitý především oxid uhličitý CO₂, který se podílí na vytváření rostlinných tkání v procesu zvaném fotosyntéza a současně se vrací do atmosféry pří dýchání živých organizmů a spalování fosilních paliv.

Ve vodě se CO₂ rozpouští za vzniku velmi slabé kyseliny uhličité H₂CO₃. Známy jsou především soli této kyseliny - uhličitany (karbonáty), uhličitan vápenatý CaCO₃ – vápenec a uhličitan hořečnatý MgCO₃ – magnezit.

Se sírou vytváří uhlík toxickou kapalnou sloučeninu - sirouhlík CS₂.

Oxid uhlíku s valencí +2, oxid uhelnatý CO je značně toxický plyn, který blokuje krevní barvivo hemoglobin a znemožňuje tak dýchání. Jeho nebezpečí spočívá především v tom, že je bezbarvý a bez zápachu a člověk proto jeho přítomnost v okolí nemůže poznat svými smysly. Byl příčinou mnoha smrtelných otrav v uhelných dolech nebo v domácnostech, kde se k topení používal svítiplyn.

S dusíkem tvoří uhlík kyanidový ion CN^- a kyanovodík HCN patří také k mimořádně toxickým látkám. V tomto případě však můžeme detekovat čichem jeho silný zápach po hořkých mandlích.

S kovovými prvky tvoří uhlík karbidy. Nejznámější je karbid vápenatý CaC₂, který při reakci s vodou uvolňuje acetylen a byl dříve používán ke svícení v lampách, karbidkách. Poměrně známý je i karbid křemíku SiC neboli karborundum, který má krystalickou strukturu podobnou diamantu a vyznačuje se mimořádnou tvrdostí.

Organické sloučeniny

Organické sloučeniny jsou chemické látky, které obsahují alespoň jeden atom uhlíku a téměř vždy atom vodíku, převážná většina přitom má spolu vázané atomy uhlíku vazbou C-C. Každý atom uhlíku je schopen vytvářet celkem čtyři tyto tzv. jednoduché vazby, kromě toho i vazbu dvojnou C=C a vazbu trojnou C≡C. Mohou proto vznikat dlouhé řetězce a molekuly s rozvětvenou nebo cyklickou strukturou. Společně s uhlíkem se v těchto molekulách váží i další prvky, především biogenní prvky vodík, kyslík, dusík, síra a fosfor, ale mohou to být i halogeny, křemík a mnoho dalších. Díky tomu existuje nesmírně mnoho kombinací; v dnešní době je známo více než 10 milionů organických sloučenin. Jejich výčet je pravidelně registrován v Beilsteinově databázi, která shromažďuje souhnrná data o všech známých organických sloučeninách.

Právě díky této obrovské rozmanitosti se organické látky staly základním stavebním kamenem živé hmoty. Každá buňka živého organismu obsahuje desetitisíce chemických sloučenin, které mají tu jedinou společnou vlastnost, že jejich základní skelet je tvořen atomy uhlíku v různých vazebných stavech.

Následující výčet typů organických sloučenin není zdaleka úplný a měl by pouze podat informaci o nejčastěji používaných a vyráběných typech organických látek.

Strukturní vzorec benzenového jádra

Uhlovodíky jsou sloučeniny, které ve své molekule obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku. Lze je v zásadě rozdělit na:

Trojná vazba v molekule acetylenu

• alifatické uhlovodíky, jejichž molekuly mají tvar řetězce a
• alicyklické uhlovodíky, jejichž molekuly mají tvar kruhu

• Obě tyto skupiny pak podle vazeb mezi atomy uhlíku dělíme na:
• alkany s pouze jednoduchou vazbou C-C
• alkeny, obsahující minimálně jednu dvojnou vazbu C=C a
• alkyny, obsahující minimálně jednu trojnou vazbu

• aromatické uhlovodíky, jejichž molekuly obsahují alespoň jeden šestičlenný kruh, benzenové jádro.

Sloučeniny, které ve své molekule obsahují C, H a O, lze zhruba rozdělit do následujících skupin:

• alkoholy, obsahující skupinu C-OH
• fenoly, které skupinu -OH mají připojenu k aromatickému jádru
• ethery, obsahující skupinu C-O-C
• organické peroxidy, obsahující skupinu C-O-O-C
• aldehydy, obsahující skupinu HC=O
• ketony, obsahující skupinu C-CO-C
• karboxylové kyseliny, obsahující skupinu -COOH
• estery, obsahující skupinu R-C-OOR

Další typy organických sloučenin, které ve své molekule obsahuji i dusík nebo síru, jsou uvedeny v heslech těchto prvků.

Principy řetězení

Uhlík je u organických sloučeninách čtyřvazný, což odpovídá oxidačnímu číslu IV. Vazba uhlíku může být:

1. jednoduchá
2. dvojná vazba je vytvářena dvěma el. páry, které nejsou rovnocenné. El. vazebné, nazývané σ-elektrony, zbývající dva π-elektrony jsou pohyblivější a jsou nositeli reaktivnosti dvojné vazby.
3. trojná je tvořena sdílením tří el. párů, dvěma σ- a čtyřmi π-elektrony
4. rozvětvená
5. nerozvětvená
6. uzavřená do cyklů jednoduchých nebo složených

Volné vazby v těchto strukturách mohou být obsazeny atomy H, O, S, N nebo skupinami prvků (radikály). Sloučeniny s vazbami mezi uhlíky se nazývají nasycené (větší stálost), s dvojnou nebo trojnou vazbou jsou nenasycené.

Výskyt a využití

Na Zemi i ve vesmíru je uhlík poměrně značně rozšířeným prvkem. V zemské kůře je jeho obsah uváděn s relativně vysokým rozptylem v rozmezí 200 - 800 ppm (mg/kg), obsah v mořské vodě činí 28 mg/l. Ve vesmíru připadá jeden atom uhlíku přibližně na 20 000 atomů vodíku.

Grafit

Podrobnější informace naleznete v článku Grafit.

Grafit neboli tuha je nerost neboli minerál, který se vyskytuje v mnoha lokalitách na Zemi. Jedny z největších grafitových dolů se nalézají v USA (Texas a stát New York), Mexiku, Indii a Rusku; významná byla i ložiska v jižních Čechách. Grafit je například zároveň složkou sazí, které vznikají spalováním fosilních paliv. Je přitom přítomen v částečkách natolik nepatrných rozměrů, že saze mají spíše vlastnosti amorfního uhlíku.

Grafit se průmyslově využívá především při výrobě tužek. Přitom se nejprve velmi jemně namele společně s vápnem a vylisuje se do vhodného tvaru.

Další významné uplatnění grafitu je v metalurgickém průmyslu. Vzhledem k jeho značné tepelné odolnosti se z něho vyrábějí nádoby, kokily, do kterých se odlévají roztavené kovy a jejich slitiny. Zamezí se tak kontaminaci slitiny kovem, ze kterého by se kokila musela vyrobit. Z grafitu se vyrábějí i elektrody pro elektrolytickou výrobu hliníku z taveniny směsi bauxitu a kryolitu nebo při výrobě křemíku z taveniny oxidu křemičitého.

Z grafitu se kromě jiného vyrábějí kartáčky elektromotorů. Slouží také jako součást maziv (grafitová vazelína, kolomaz).

Skelný grafit

Uměle vyrobenou formou grafitu je tzv. skelný uhlík (angl. glassy carbon), který se vyznačuje vysokou hustotou, nízkou pórovitostí a značnou chemickou a mechanickou odolností. V praxi se vyrábí přesně řízeným dlouhodobým vysokoteplotním (pyrrolitickým) rozkladem organických látek na povrchu normálního grafitu.

Díky mimořádným fyzikálním a chemický vlastnostem skelného grafitu se jeho praktické využití stále rozšiřuje i přes jeho poměrně vysokou cenu.

Pro elektrochemii je důležitý fakt, že povrchy elektrod ze skelného grafitu jsou chemicky vysoce odolné a lze na nich dosáhnout vysokého kladného potenciálu, aniž by docházelo k jejich rozpuštění jako u normálních kovových elektrod. Toho lze využít jak v analytické chemii při zkoumání elektrochemických vlastností organických molekul tak pro preparativní oxidaci při výrobě některých sloučenin.

Analytická metoda GFAAS (atomová absorpční spektrometrie s bezplamennou atomizací) používá pro odpaření analyzovaného vzorku kyvetu, která se během několika sekund zahřívá až na teploty kolem 3 000 °C. Pokrytí vnitřní plochy této kyvety skelným grafitem dramaticky zvyšuje její odolnost a prodlouží její použitelnost ve srovnání s klasickou grafitovou kyvetou.

V metalurgii se pro čištění kovů na vysoké čistoty metodou zonálního tavení mohou uplatnit trubice pokryté sklelným grafitem, v nichž se tavení provádí.

Laboratorní nádobí s povrchem ze skelného grafitu dosahuje stejné nebo i lepší chemické odolnosti jako nádobí z platiny nebo její slitiny s rhodiem.

Diamant

Podrobnější informace naleznete v článku Diamant.

Diamanty

Představuje jeden z nejvzácnějších a nejdražších minerálů. Vyskytuje se v různých barevných modifikacích od takřka průhledné až po černou. Protože ke vzniku diamantu je zapotřebí obrovských tlaků a vysokých teplot, jsou nalézány především tam, kde žhavé magma z velkých hloubek vystoupilo na povrch a ztuhlo. Naleziště s nejkvalitnějšími diamanty leží hlavně v Africe – JAR, Namibie, Sierra Leone, dále v Brazílii, Rusku, Kanadě a Austrálii.

Diamanty je v současné době možno vyrábět i průmyslově, i když produkty zdaleka nedosahují kvalit přírodních diamantů. Průmyslové diamanty se proto využívají především k osazování různých vrtných a řezných hlavic nástrojů, které pro svou činnost musí vykazovat mimořádnou tvrdost a odolnost.

Přírodní diamanty slouží již od pradávna především k výrobě těch nejdražších šperků. Aby se mohl diamant zasadit do zlatého nebo platinového šperku, musí být nejprve složitě a pečlivě broušen. K úspěšnému vybroušení drahého a vzácného diamantu je třeba nejen značné zkušenosti, ale i zručnosti a trpělivosti. Středisky broušení diamantů a obchodu s nimi jsou belgické Antverpy a nizozemský Rotterdam a Amsterodam.

Připojený obrázek ukazuje diamant Cullinan I, zvaný také Hvězda Afriky, o hmotnosti 530,20 karátů, který byl vybroušen v roce 1908 v Amsterodamu. Tento skvost je v současné době umístěn v Londýnském Toweru jako součást korunovačních klenotů britského panovnického dvora.

Role v biologii

Uhlík a jeho sloučeniny hrály zcela zásadní roli ve vzniku života tak, jak ho na Zemi známe. Těla všech organismů jsou složená právě především z organických látek, tedy látek obsahujících uhlík. Cukry, tuky, různé kyseliny včetně aminokyselin a nukleových kyselin, všechny myslitelné organické látky v tělech pozemských organismů obsahují uhlík. V lidském těle vytváří uhlík představuje 18,5 % hmotnosti, V sušině těla (bez vody) je to ještě mnohem více.

Izotopy uhlíku a radiokarbonová metoda datování

V přírodě se uhlík vyskytuje běžně ve formě dvou stabilních izotopů: ¹²C, který tvoří 98,9% a ¹³C s průměrným výskytem 1,1%.

Reakcí atomů dusíku ¹⁴N, přítomných v atmosféře s kosmickým zářením vzniká nestabilní izotop ¹⁴C, který se rozpadá (beta rozpad) s poločasem 5 715 let. Poměr všech 3 izotopů uhlíku v atmosférickém oxidu uhličitém se tak dlouhodobě udržuje na konstantní hodnotě.

Živé organizmy neustále korespondují s atmosférickým CO₂ ať již formou fotosyntézy (rostliny) nebo příjmem jejich produktů – býložravci a následně predátoři. Lze proto tvrdit, že poměr ¹⁴C/¹²C zůstává v průběhu života daného organizmu konstantní.

Po odumření jakékoliv biologické tkáně se výměna uhlíku mezi organizmem a prostředím zastaví. Zároveň nedochází ani ke vzniku ¹⁴C reakcí s kosmickými paprsky, protože ty jsou pohlceny atmosférou. Obsah ¹⁴C klesá podle zákonitostí rozpadu nestabilních atomových jader.

Radiokarbonová metoda datování využívá zmíněného jevu tím způsobem, že v archeologickém či jiném nálezu pozůstatku živé hmoty (zbytky tkání, kosti, popel…) je analyzován poměr ¹⁴C/¹²C. Zjištěný poměr pak poměrně přesně ukazuje na dobu zániku dané živé hmoty. Vzhledem k uvedenému poločasu rozpadu uhlíku ¹⁴C je metoda optimálně použitelná pro objekty o stáří 2 – 100 tisíc let. Při hodnocení naměřených výsledků je třeba vzít v úvahu i možnost působení radioaktivních zářičů na zkoumaný materiál v průběhu jeho depozice na místě nálezu, protože tak může dojít k významnému zkreslení dat.

Odkazy

Literatura

• Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood - A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

---