protonové číslo 6
relativní atomová hmotnost 12.011
elektronegativita 2.5
elektronová konfigurace [He]2s22p2
hustota (g·cm-3) 3.51 (diamant)
teplota tání (°C) 4100.0
teplota varu (°C) 4827.0

Uhlík (6C)

historie

  • znám jako látka již v pravěku (dřevěné uhlí, saze), ale zjištění, že jde o prvek, bylo potvrzeno až v 18. století
  • název carbon navrhl A. L. Lavoisier z latinského carbo – dřevěné uhlí
  • název grafit navrhl A. G. Werner a D. L. G. Harsten z řeckého graphein – psáti
  • název diamant vznikl spojením řeckého diaphanes – průhledný a adamas – nezdolný, s odvoláním na jeho extrémní tvrdost

výskyt

  • volný prvek (grafit, diamant)
  • ve sloučeninách – uhličitany Ca, Mg a dalších elektropozitivních prvků
  • složka atmosféry – CO2
  • uhlí, ropa
  • podle výskytu v zemské kůře se řadí na 17. místo
  • uhlík je základní prvek organických sloučenin

fyzikální vlastnosti

  • grafit
    • produkce přírodního grafitu nestačí, proto se vyrábí synteticky zahříváním koksu s křemenem na teplotu asi 2500 °C po dobu 25 až 35 hodin:
      SiO2 + 3C → SiC + 2CO
      SiC → Si(g) + C(grafit)
    • složen z planárních hexagonálních sítí uhlíkových atomů, vzdálenost mezi uhlíky uvnitř vrstvy je 141,5 pm, mezi vrstvami 335,4 pm
    • mezi vrstvami grafitu je velká vzdálenost a to umožňuje velké řadě látek včlenit se mezi roviny a vytvořit interkalátové sloučeniny proměnného složení (alkalické kovy, halogenidy, oxidy, sulfidy, kyseliny)
    • snadno se štípe rovnoběžně se základní rovinou, což vysvětluje šupinkový vzhled a měkkost
    • je to černý polokov s velkou optickou odrazivostí
    • vede elektrický proud
    • oxiduje se horkou koncentrovanou kyselinou dusičnou na kyselinu mellitovou C6(COOH)6
    • reaguje se suspenzí chlorečnanu draselného ve směsi koncentrované kyseliny dusičné a sírové (1:2) za vzniku oxidu grafitu – nestálý citrónově zbarvený produkt proměnlivého složení a struktury
    • oxid grafitu se při teplotě 70 °C pomalu rozkládá a při teplotě 200 °C se vznítí za vzniku oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, vody a sazí
    • reaguje v atmosféře fluoru při teplotě 400 až 500 °C za vzniku monofluoridu (CF)n, zabarvení je závislé na obsahu fluoru – od stříbrné až po světle černou
    • za vyšší teploty reaguje s mnoha prvky – vodíkem (v přítomnosti katalyzátoru niklu), kyslíkem, sírou, křemíkem a mnoha kovy
    • užití
      • redukční činidlo
      • výroba oceli
      • žáruvzdorný materiál
      • mazivo
      • brzdové obložení
      • tužky
      • jaderné reaktory – moderátor neutronů
      • uhlíkové monokrystalové vlákno – slitiny s vysokou pevností
  • diamant
    • nachází se ve vulkanických jámách uložených v relativně měkkých, tmavě zbarvených horninách nazývaných kimberlit podle města Kimberly v Jižní Africe (objeveny v roce 1870), podíl diamantů v kimberlitové jámě 1:15 000 000
    • minerál musí být izolován mechanicky drcením, vyplavováním a vedením materiálu přes namaštěné pásy, do kterých se diamanty zapíchají, zpracování hornin částečně vysvětluje vysokou cenu diamantu jako drahokamu
    • nalezen též v naplavených půdách a mořských terasách, kam byly transportovány sklonem a erozí jam během geologického období
    • největším výrobcem diamantů jako drahokamů je Jižní Afrika (nejvíce vyrábí Zaire)
    • největší nalezený diamant (25.1.1905) byl Cullinan (3106 karátů = 621,2 gramu), měl přibližně rozměry 10 cm x 6,5 cm x 5 cm, jiné proslulé kameny vážily 100 – 800 karátů, exempláře vážící více než 50 karátů, jsou vzácné (1 karát = 0,2 g)
    • lze připravit z grafitu působením vysokého tlaku (10 GPa) a vysoké teploty (1200 – 2800 K), při této přípravě je nutná přítomnost roztavených katalyzátorů (Cr, Fe nebo Ni) - největší syntetické diamanty váží asi 1 karát
    • krystaluje v krychlové soustavě
    • dá se štípat v různých směrech, může se řezat a brousit do ploch drahokamů
    • nejtvrdší a nejodolnější materiál
    • má největší tepelnou vodivost ze všech známých látek (5× větší než měď), proto se diamantové řezací nářadí nepřehřívá
    • má velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti
    • je průhledný, má vysoký index lomu
    • má zanedbatelnou elektrickou vodivost
    • za normální teploty není reaktivní
    • užití
      • přírodní - šperky (nejdražší drahokam)
      • syntetické - řezání, vrtání a leštění
  • koks
    • získá se vysokoteplotní karbonizací uhlí
    • užití
      • ve vysokých pecích v ocelářském průmyslu
  • saze
    • vyrábějí se neúplným spalováním kapalných uhlovodíků nebo přírodního plynu
    • užití
      • gumárenství, kde slouží ke zpevňování a zesílení pryže (1 automobilová pneumatika = 3 kg sazí)
      • pigment do inkoustů, barev, papíru a plastů
  • aktivní uhlí
    • různé druhy se od sebe liší velikostí povrchu, který je od 300 až do 2000 m2/g
    • vyrábí se chemicky – uhlíkatý materiál (piliny, rašelina atd.) se smíchá s látkami, které při zahřívání na 500 – 900 °C organický substrát oxidují a dehydratují (jsou to např. hydroxidy, uhličitany, sírany alkalických kovů)
    • užití
      • v cukrovarnickém průmyslu jako odbarvovací látka
      • k čištění chemikálií
      • k čištění ovzduší
      • úprava vod
      • katalyzátor
  • živočišné uhlí
    • vzniká rozkladnou destilací různých živočišných odpadů a podle použitého materiálu má i název, např. krevní uhlí, kostní uhlí

Uhlík má schopnost vytvářet řetězce (tj. tvořit ve sloučeninách vazby sám se sebou), tyto sloučeniny tvoří různé homologické řady, ve kterých jsou atomy uhlíku spojeny do řetězců, rozvětvených řetězců a kruhů. Tyto sloučeniny patří do organické chemie.

sloučeniny

  • halogenidy
    • fluorid uhličitý (CF4)
      • stálý plyn
      • připravuje se reakcí karbidu křemíku s fluorem:
        SiC + 4F2 → SiF4 + CF4
    • chlorid uhličitý (CCl4)
      • bezbarvá kapalina příjemného zápachu
      • připravuje se reakcí sirouhlíku s chlorem:
        CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2
      • laboratorní a průmyslové rozpouštědlo
    • bromid uhličitý (CBr4)
        světle žlutá pevná látka
      • připravuje se reakcí chloridu uhličitého s Al2Br6 při 100°C
    • jodid uhličitý (CI4)
      • jasně červená krystalická látka
      • připravuje se reakcí chloridu uhličitého (CCl4) s etyljodidem (C2H5I), katalyzátor AlCl3
    • halogenidy jsou netečné k účinku kyselin, oxidačních a redukčních činidel do teploty 600°C
    • jsou nemísitelné s vodou
    • nehořlavé
  • chlorid karbonylu - fosgen (COCl2)
    • vzniká z oxidu uhelnatého a chloru:
      CO + Cl2 → COCl2 (aktivní uhlí)
    • toxický, bezbarvý, těžký, dusivý plyn, snadno zkapalnitelný
    • užití
      • příprava isokyanatanů, které jsou meziprodukty pro přípravu polyuretanů
      • chlorační činidlo
    • s amoniakem dává močovinu:
      COCl2 + 2NH3 → CO(NH2)2 + 2HCl
  • sirouhlík (CS2)
    • bezbarvá kapalina
    • těkavá
    • hořlavá
    • jedovatá, může způsobit těžké poruchy nervového systému a mozku
    • vyrábí se katalytickou reakcí síry a zemního plynu:
      CH4 + 4S → CS2 + 2H2S (t = 600°C/gel SiO2)
    • neochotně reaguje s H2O
    • reaguje s roztoky hydroxidů – vzniká směs uhličitanu M2CO3 a trithiouhličitanu M2CS3
    • užití
      • výroba viskózového hedvábí, celofánu
      • výroba chloridu uhličitého – extrakce tuků
      • výroba thiomočoviny (CS(NH2)2 – aminoplasty
  • uhlík vytváří další sulfidy – např. CS, C3S2, tyto sulfidy jsou však nestálé
  • dikyan ((CN)2)
    • připravuje se zahříváním kyanidu rtuťnatého:
      Hg(CN)2 → Hg + (CN)2
    • vyrábí se oxidací plynného kyanovodíku (HCN) kyslíkem (O2, Ag katalyzátor) nebo chlorem (Cl2, katalyzátor aktivní uhlí)
    • bezbarvý, jedovatý plyn
    • tepelně stálý (800°C)
  • kyanovodík (HCN)
    • připravuje se rozkladem kyanidu kyselinou sírovou:
      2KCN + H2SO4 → K2SO4 + 2HCN
    • bezbarvá těkavá kapalina
    • prudce jedovatý, páchne po hořkých mandlích
    • výroba plastických hmot a syntetických vláken
    • užívá se k hubení hmyzu a krys
    • ve vodném roztoku se chová jako slabá kyselina
    • soli – kyanidy (CN)-
      • ion CN- může vystupovat jako jednovazný ligand v komplexních sloučeninách
      • alkalické kyanidy, kyanidy kovů alkalických zemin a kyanid rtuťnatý jsou ve vodě rozpustné, ostatní jsou málo rozpustné nebo nerozpustné
  • kyselina kyanatá (HOCN)
    • kapalina štiplavě páchnoucí
    • nestálá i ve vodném roztoku
    • soli kyanatany (OCN)- - vznikají oxidací kyanidů
      stálé látky
  • kyselina izokyanatá (HNCO)
    • polymeruje na trimér - kyselinu kyanurovou (HNCO)3
  • kyselina thiokyanatá, rhodanovodíková (HSCN)
    • nestálá
    • známá jen v roztocích
    • ve vodném roztoku silná kyselina
    • soli thiokyanatany (rhodanidy) (SCN)-
      alkalické thiokyanatany se připravují tavením odpovídajících kyanidů se sírou
  • karbidy (sloučeniny prvků s uhlíkem)
    • příprava
      • přímým slučováním prvků při teplotě nad 2000°C
      • reakcí oxidu kovu s uhlíkem za vysoké teploty
      • reakcí zahřátého kovu s uhlovodíkem
      • reakcí acetylénu s elektropozitivními kovy v kapalném amoniaku
    • rozdělení
      • karbidy elektropozitivních prvků – iontové sloučeniny, vodou se rozkládají, např. CaC2, Al4C3
      • karbidy elektronegativních nekovů – molekulární sloučeniny např. SiC
      • karbidy přechodných kovů – intersticiální sloučeniny
      • nestálé karbidy (I.B, II.B, III.B + platinové kovy)
      • nejznámější jsou karbidy (acetylidy) alkalických kvů MI2C2 a kovů alkalických zemin MIIC2
        • MI2C2
          • připravují se působením acetylenu (C2H2) na roztok alkalického kovu v kapalném amoniaku
          • bezbarvé krystalické látky
          • reagují prudce s vodou
          • zahřátím na vzduchu se oxidují na uhličitany
        • MIIC2
          • připravují se zahříváním kovů alkalických zemin s acetylenem (t > 500 °C)
        • karbid (acetylid) vápenatý (CaC2)
          • vyrábí se endotermickou reakcí vápna (CaO) s koksem:
            CaO + 3C → CaC2 + CO ( t = 2200 – 2250°C)
          • bezbarvá pevná látka
          • váže dusík za vzniku kyanamidu vápenatého:
            CaC2 + N2 → CaCN2 + C (t = 1000 – 1200°C)
          • užití
            • výroba acetylenu (C2H2)
            • výroba kyananidu vápenatého
      • kyanamid vápenatý (CaCN2)
        • rychle se hydrolyzuje na kyanamid H2NCN
        • užití
          • umělé hnojivo
          • herbicid
          • výroba melaminových plastů
  • oxid uhelnatý (CO)
    • vzniká nedokonalou oxidací uhlíku:
      2C + O2 → 2CO
    • součástí generátorového plynu (25 % CO, 4% CO2, 70% N2, stopy H2, CH4, O2), vodního plynu (50% H2, 40% CO, 5% CO2, 5% N2 a CH4), plyny se používají jako palivo
    • vzniká při výrobě mnoha kovů, redukcí jejich oxidů koksem
    • laboratorně se připravuje z kyseliny mravenčí s koncentrovanou kyselinou sírovou při teplotě 140°C:
      HCOOH → CO + H2O
    • bezbarvý plyn, bez zápachu
    • hořlavý, hoří na oxid uhličitý
    • jedovatý, protože vytváří komplex s hemoglobinem, který je 300x pevnější, než komplex hemoglobinu s kyslíkem, tím brání přenosu kyslíku červenými krvinkami
    • reaguje za zvýšené teploty s alkalickým hydroxidem za vzniku mravenčanu:
      CO + NaOH → HCOONa
    • reaguje s chlorem a bromem za vzniku COCl2 a COBr2
    • s kapalnou sírou vzniká COS
    • za vyšší teploty je výborným redukčním činidlem
  • oxid uhličitý – CO2
    • laboratorně vzniká působením kyselin na uhličitany:
      CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
    • průmyslově se získává jako vedlejší produkt při výrobě vodíku:
      CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
      nebo z kouřových plynů vznikajících spalováním uhelnatých paliv
      z vrtů přírodního plynu
      z fermentačních procesů
      dýcháním živočichů
    • je nedýchatelný, nehořlavý a velmi stálý
    • užití
      • vytváření inertní atmosféry
      • sycení nápojů
      • čistící plyn
      • výroba močoviny
      • výroba uhličitanů – M2CO3 a MHCO3 (M = Na, K, NH4 atd)
      • dá se zkapalnit – používá se na zlepšení brousitelnosti nízkotajících kovů
        na rychlé ochlazení naložených nákladních vagonů
        nafukování záchranných člunů
        do hasících přístrojů
        k trhacím pracím v dolech
        drcení masa na hamburgery
      • pevný CO2 - užívá se jako chladící médium (výroba zmrzliny, uchovávání masa, zmražených potravin)
        laboratorní chladivo
        mrazící látka
  • existují i méně stálé oxidy C3O2, C5O2, C12O9 a řada nestálých, špatně charakterizovaných oxidů např. C2O, C2O3
  • kyselina uhličitá (H2CO3)
    • vzniká reakcí vody s oxidem uhličitým:
      CO2 + H2O → H2CO3
    • čistá kyselina není známa
    • vodný roztok se chová jako slabá dvojsytná kyselina
    • soli – uhličitany (CO3)2-, hydrogenuhličitany (HCO3)-
      • uhličitany alkalických kovů jsou rozpustné až na Li2CO3, také hydrogenuhličitany většiny kovů jsou rozpustné, pokud existují
      • ostatní uhličitany jsou ve vodě nerozpustné
      • uhličitany vznikají reakcí oxidu uhličitého s roztoky hydroxidů
      • nerozpustné uhličitany vznikají srážením roztoku příslušné soli roztokem alkalického uhličitanu
      • zahříváním uhličitanů s výjimkou alkalických vzniká oxid kovu, případně kov a oxid uhličitý:
        MgCO3 → MgO + CO2
        2Ag2CO3 → 4Ag + 2CO2 + O2
  • kyselina trithiouhličitá (H2CS3)
    • vzniká ze solí vytěsněním kyselinou chlorovodíkovou
    • rozkládá se na H2S a CS2
    • soli thiouhličitany (CS3)2-