Ugljik
- PREUSMJERI Predložak:Infookvir kemijski element
Od ukupne količine ugljika na Zemlji, 99,8% je vezano u mineralima, uglavnom karbonatima, što i nije čudno ako znamo da su cijeli gorski lanci građeni od vapnenca i dolomita. Samo 0,01% ugljika vezano je u živim bićima. Velike su količine ugljika koncentrirane u nalazištima fosilnih goriva (nafta, ugljen, zemni plin). U atmosferi se pojavljuje kao ugljikov(IV) oksid, CO2, volumnog udjela 0,033%. Nalazimo ga i u morskoj vodi u obliku hidrogenkarbonata ili otopljenog ugljikova(IV) oksida. Ima ga i u Svemiru, gdje sudjeluje u termonuklearnim reakcijama na tzv. „vrućim zvijezdama“.
Ugljik, poslije vodika, tvori više spojeva nego svi ostali kemijski elementi zajedno. Razlog tome je što se ugljikovi atomi u spojevima mogu međusobno povezivati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim kovalentnim vezama na različite načine u dugačke lance i prstenove. To su uglavnom organski spojevi koji se zbog svoje brojnosti obrađuju u posebnom dijelu kemije – organskoj kemiji.
U prirodi se ugljik pojavljuje kao elementarna tvar i u obliku svojih spojeva.
Alotropske modifikacije ugljika (i njihova svojstva)
Ugljik nema talište, jer grafit sublimira, dok je dijamantu talište na 3500°C.
Vrelište grafita je na 3642 °C, dok dijamantu nije poznato.
Gustoća grafita pri 25°C je 2,26, a dijamanta 3,51 g/cm3.
Koeficijent negativnosti mu je 2,5.
- dijamant (najtvrđi poznati mineral). Vezivna struktura: 4 elektrona u sp3-orbitalama. Dijamant je proziran, vrlo tvrd (i vrlo skup!) mineral. Ne provodi električnu struju. Ugljikovi atomi u dijamantu povezani su sa četiri susjedna ugljikova atoma u dijamantnu rešetku.
- grafit Vezivna struktura: 3 elektrona u sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali. Grafit je mekana, sivocrna, lomljiva tvar, masna opipa. Grafit provodi električnu struju. Kristali grafita sastoje se od slojeva, a u svakom sloju atomi su poredani kao šesteročlani prstenovi.
- fuleren Zatvorene strukture, napravljene od peteročlanih i šesteročlanih, a ponekad i sedmeročlanih prstenova. Najpoznatiji i najstabilniji fuleren je bakminsterfuleren, C60, čija struktura podsjeća na nogometnu loptu. Fulereni su ime dobili po poznatom američkom arhitektu Buckminsteru Fulleru (1895. - 1983.).
- karbin Lanci ugljikovih atoma povezanih σ vezama koje se ostvaruju preklapanjem sp hibridnih orbitala i π vezama, koje se ostvaruju preklapanjem p orbitala.
Ugljik se pojavljuje i u više drugih oblika poznatih kao amorfni ugljik (aktivni ugljen, ugljen, koks, čađa). Svi oblici amorfnog ugljika nisu čisti ugljik i sastoje se od sitnih čestica grafitne strukture.
Upotreba ugljika
Grafit se upotrebljava za proizvodnju olovaka, u strojarstvu kao mazivo za ležajeve i ključanice, u nuklearnoj industriji za izgradnju nuklearnih reaktora itd. Ljepši primjerci dijamanta upotrebljavaju se za izradu skupocjenog nakita, a oni manje lijepi za izradu alata za rezanje, bušenje, brušenje i poliranje.
Kemija ugljika
Ugljik tvori vrlo stabilne ugljik-ugljik veze, kao i veze s mnogim drugim elementima što uzrokuje enormni broj ugljikovih spojeva. Kemiju ugljikovih spojeva, osim karbida, karbonata, cijanida, ugljikovih oksida i sulfida proučava organska kemija.
Ugljikovi halogenidi
Tetrafluorougljik je stabilna tvar koja se dobiva kao krajnji produkt fluoriranja organskih spojeva. U laboratoriju se pripravlja fluoriranjem silicijevog karbida.
Tetraklorougljik je bezbojna tekućina pri sobnoj temperaturi i atmosferskim tlakom. Često se koristi kao otapalo.
Tetrabromougljik je tamno žuta krutina na sobnoj temperaturi. Netopljiv je u vodi i drugim polarnim otapalima.
Tetrajodougljik je svjeto crvena krutina mirisa sličnog jodu. Pripravlja se reakcijom etil-jodida i tetraklorougljika uz aluminijev tri klorid.
tvar | talište | vrelište | stabilnost |
CF4 | '-185' | '-128' | stabilan |
CCl4 | '-23' | 76 | umjereno stabilan |
CBr4 | 93 | 190 | sporo se raspada na temperaturi vrelišta |
CI4 | 171 | raspada se prije vrelišta |
Oksidi ugljika
Unatoč tome što ugljik tvori golemi broj različitih spojeva, pri sobnoj je temperaturi slabo kemijski reaktivan. S kisikom tvori dvije vrste spojeva: ugljikov(II) oksid (monoksid) i ugljikov(IV) oksid (ugljikov dioksid).
Ugljikov monoksid (CO) nastaje pri izgaranju ugljikovih spojeva uz ograničeni dotok kisika. Industrijski se proizvodi kao generatorski plin, izgaranjem koksa u generatoru, ili kao vodeni plin, u smjesi sa vodikom, reakcijom generatorskog plina s vodenom parom. Ugljikov monoksid je vrlo toksičan jer se veže s hemoglobinom na sličan način kao i kisik, ali mnogo snažnije i stalnije.
Ugljikov dioksid (CO2) je bezbojni plin, bez mirisa. Dobiva se izgaranjem ugljika ili ugljikovih spojeva, ili reakcijom kiselina s karbonatima. Ugljikov dioksid je inertni plin i često se koristi kao inertna atmosfera u slučajevima gdje prisutnost kisika može biti štetna.
Ugljikov suboksid (C3O2) je plin neugodnog mirisa, koji se formira dehidriranjem malonske kiseline fosforovim 5 oksidom u vakuumu pri 140 do 150 ºC. Ugljikov suboksid ima linearnu molekulu: O=C=C=C=O. Stabilan je na temperaturi vrelišta dušika: –78 ºC, a na 25ºC polimerizira.
Anhidrid melne kiseline(C12O9)
Ugljik formira i druge, nestabilne okside: C2O, C2O3, CO3.
Karbidi
Karbidi 1., 2., 12. grupe, te aluminija su ionski karbidi. Struktura ovih karbida sadrže izoliranje ugljikove atome (Be2C, Al4C3), acetilidne ione (C22-) (CaC2, MgC2, BeC2, BaC2, ZnC2, Na2C2, K2C2), ili C34- anion. Hidrolizom ovih karbida dobiva se metan, acetilen ili alen, ovisno od kojeg iona je karbid sastavljen.
Karbidi prijelaznih metala: Rani prijelazni metali (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W) tvore karbide s metalnim karakterom. Ovi metali, u svojoj strukturi, imaju međuprostore koji odgovaraju veličini ugljikovog atoma. Ugljik u međuprostorima čini ovakve karbide izuzetno stabilnima, vrlo visokih tališta i kemijski inertnim materijalima. Karbidi 7. 8. 9. i 10. skupine su nestabilniji od karbida ranih prijelaznih metala, otapaju se u vodi ili kiselinama. Karbidi lantanida i aktinida imaju formulu i strukturu sličnu acetilidima, ali hidrolizom s vodom daju metan.
Kovalentni karbidi su karbidi nemetala. Odlikuju se velikom tvrdoćom i često se koriste kao abrazivna sredstva.
Vanjske poveznice
H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | As | Br | Kr | ||||||||||||||||
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Te | I | Xe | |||||||||||||||
Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Rn | ||
Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
Alkalijski metali | Zemnoalkalijski metali | Lantanoidi | Aktinoidi | Prijelazni metali | Slabi metali | Polumetali | Nemetali | Halogeni elementi | Plemeniti plinovi |