Ugljenik, ugljik ili karbon (C, lat. carboneum), je nemetal, IVA grupe.[5] Stabilni izotopi su mu: 12C i13C. Bitan nestabilan izotop je 14C (nastaje od 14N u gornjim slojevima atmosfere).[6]
Ovaj četvorovalentni nemetal ima nekoliko alotropskih modifikacija:
dijamant (najtvrđi poznati prirodni mineral). Hemijska formula C. Vezivna struktura: 4 elektrona u 3-dimenzionim sp3-orbitalama
grafit (jedna od najmekših supstanci). Iste hemijske formule kao dijamant C. Vezivna struktura: 3 elektrona u 2-dimenzionalnim sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali.
fuleren Hemijska formula C60, danas ima široku primenu u poljoprivredi.
Ugljenik je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,09%.
Ugljenik je bio poznat još u praistoriji. Da je hemijski element prvi je utvrdio Antoan Lavoazije. Međunarodni naziv je izveden od latinske reči carbo, ugalj.
Ugljenik je veoma rasprostranjen u prirodi. Broj poznatih jedinjenja ugljenika je preko 10 puta veći od poznatih jedinjenja svih ostalih elemenata.
Cela jedna grana hemije, organska hemija, se bazira na jedinjenjima koja u sebi sadrže ugljenik. Sem organskih jedinjenja veliki značaj imaju ugljen(II)oksid, ugljenik(IV)oksid, ugljena kiselina, karbidi i karbonati.
Zastupljenost
Ugljik je esencijalni element u biosferi, te po masenom udjelu drugi najrasprostranjeniji element nakon kisika u živim organizmima. Sva živa tkiva su sastavljena iz organskih spojeva ugljika. Međutim, geološki gledano on se ne ubraja u najrasprostranjenije elemente. Ugljik je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,087%.[7] On se nalazi u neživoj prirodi pretežno u obliku spojeva, ali i slobodan u obliku dijamanta i grafita. Glavna nalazišta dijamanata nalaze se u Africi (Južnoafrička Republika i Kongo) i Rusiji. Oni se često mogu naći u vulkanskim stijenama poput kimberlita. Grafit se javlja relativno rijetko u metamorfnim stijenama bogatim ugljikom. Najznačajnija nalazišta su u Indiji i Kini.
Ugljik se u prirodi najčešće može naći u obliku neorganskih karbonatnih stijena (oko 2,8 · 1016 t). Karbonatne stijene su veoma rasprostranjene na Zemlji i ponegdje formiraju i cijele planine. Jedna od najpoznatijih primjera planina sastavljenih iz ovih stijena su Dolomiti u Italiji. Najvažniji karbonatni minerali su kalcij karbonat CaCO3 (sa brojnim modifikacijama: krečnjak, kreda, mramor), kalcijum magnezijum karbonat CaCO3 · MgCO3 (dolomit), željezo(II) karbonat FeCO3 i cink karbonat ZnCO3.
Poznati spojevi ugljika su fosilna gorivaugalj, nafta i zemni plin. Oni nisu čisti ugljikovi spojevi, nego mješavine mnogih različitih organskih spojeva. Oni nastaju pretvaranjem biljnih (ugalj) i životinjskih (nafta i plin) ostataka pod velikim pritiskom. Najveća nalazišta uglja nalaze se u SAD, Kini i Rusiji, a u Bosni i Hercegovini veća nalazišta uglja se nalaze u okolini Banovića, Zenice, Kaknja, Sanskog Mosta, Breze, Živinica, Doboja (Stanari), Ugljevika, Gacka i drugih mjesta. Najvažnije rezerve nafte se nalaze na Arapskom poluostrvu (Irak, Saudijska Arabija, Kuvajt), Meksičkom zalivu i Sjevernom moru. Nešto manje poznata su nalazišta čvrstog metan hidrata u velikim dubinama.
Ugljik se nalazi u atmosferi u obliku ugljen-dioksida (ugljik(IV) oksida). On je sastavni dio zraka. U zraku ima prosječni udio od oko 0,04%. Ugljik dioksid nastaje pri sagorijevanju spojeva koji sadrže ugljik, prilikom disanja svih živih bića, vulkanskom aktivnošću i putem fotosinteze biljaka. Čak i u morskoj vodi rastvoreno je oko 0,01% CO2 (po masenom udjelu).
U pogledu količine najveći dio ugljika nalazi se u sastavu stijena (litosfera). Svi ostali oblici ugljika čine samo oko 0,1% ukupne količine ugljika na Zemlji.
Stvaranje jezgra atoma ugljika zahtijeva gotovo simultani trostruki sudar alfa čestica (jezgara helijuma) unutar središta ogromne zvijezde giganta ili supergiganta, u procesu poznatim pod nazivom trostruki alfa proces, kao proizvod daljnjih reakcija nuklearne fuzije helija sa vodonikom ili drugom jezgrom helija stvara se izotop litijuma Li-5 i berilijuma Be-8, respektivno, a oba su vrlo nestabilni i gotovo odmah se raspadaju nazad u manja jezgra.[8] Ovo se dešava u uslovima temperature iznad 100 megakelvina i koncentracije helija koja se brzo širi i hladi što nije bilo slučaj u ranom svemiru, tako da ne postoje dokazi da su se značajne količine ugljika kreirale tokom Velikog praska. Umjesto toga, u unutrašnjosti zvijezda u horizontalnoj ravni H-R dijagrama transformiraju se tri jezgra atoma helija u ugljik pomoću ovog trostrukog alfa procesa.[9] Da bi ugljik bio dostupan za formiranje života kakvog danas znamo, ovaj ugljik mora biti raširen u svemir kao prašina nakon eksplozije supernova, kao dio materijala od kojeg se kasnije formira druga i treća generacija zvjezdanih sistema koje imaju prisutne planete formirane od takve prašine.[10]Sunčev sistem je jedan zvjezdani sistem treće generacije. Drugi mehanizam fuzije kojeg pogone zvijezde je CNO ciklus, u kojem ugljik djeluje kao katalizator omogućavajući odvijanje reakcije.
Rotacijska tranzicija različitih izotopskih oblika ugljik monoksida (naprimjer 12CO, 13CO i C18O) se može otkriti u submilimetarskom rasponu talasnih dužina i koristi se u proučavanju formiranja novih zvijezda u molekularnim oblacima.[11]
Osobine
Fazni dijagram ugljika
Pri normalnom pritisku i temperaturama ispod 4000 K grafit je termodinamički stabilnija modifikacija ugljika, što se vidi na faznom dijagramu. Zbog visoke energije aktiviranja i dijamant je stabilan na sobnoj temperaturi, a tek na temperaturi iznad 500 °C uočljivo se pretvara u grafit. Obrnuta transformacija iz grafita u dijamant je moguća uz pritisak od najmanje 20.000 bara (2 GPa). Za dovoljno brzu reakciju, temperatura bi trebala biti iznad 1500 °C a pritisak oko 60.000 bara što odgovara faznom dijagramu.
Ugljik ima najveću otpornost na visoke temperature od svih poznatih materijala. Ne topi se pri normalnom pritisku, nego sublimira pri temperaturi od 3915 K (3642 °C),[12] bez prethodnog gubljenja čvrstoće. Trojna tačka ugljika je na 10,8 ± 0,2 MPa i 4600 ± 300 K.[13][14]
Ugljik je dijamagnetičan. Pirolitički izdvojen grafit ima visoku anizotropiju u magnetskom susceptibilitetu (paralelno: = −85 · 10−6, vodoravno: = −450 · 10−6),[15], nasuprot njemu dijamant je izotropan ( = −22 · 10−6).
Ovaj četvorovalentninemetal ima nekoliko alotropskih modifikacija. Dijamant je najtvrđi poznati mineral, kod kojeg atomi ugljika prave sp3-hibridizaciju sa tetraedarskim prostornim rasporedom. Svaki atom ugljika u dijamantu je povezan s četiri druga ugljikova atoma sigma vezom, te je čitav kristal jedna velika molekula.
Grafit (jedna od najmekših supstanci) ima lisnatu strukturu. Svaki ugljikov atom je povezan s tri druga ugljikova atoma. To znači da je prisutna sp2-hibridizacija i tri hibrida leže u jednoj ravni. Preostali π-elektron pravi dvostruku vezu, te je prisutna rezonancija. Kod grafita je zbog toga svaka od tri veze nešto pojačana, pa je on stabilniji od dijamanta za energiju rezonancije.[16] Razlike u fizikalnim osobinama ove dvije modifikacije su ekstremne. Dijamant je jedan od najtvrđih minerala, dok je grafit mehka supstanca. Dijamant je najbolji provodnik toplote, dok je grafit izolator. Dijamant je izrazito transparentan, a grafit neproziran. Grafit je provodnik električne struje, dok je dijamant izolator. Osim grafita i dijamanta poznate su još neke alotropske modifikacije, kao npr. fulereni.
Lonsdaleit, nazvan također i heksagonalni dijamant, jeste jedna veoma rijetka modifikacija dijamanta. Ime je dobio po irskoj kristalografinji Kathleen Lonsdale, a pronađen je u Barringerovom krateru u Arizoni.[17] On nastaje kada se grafit izloži određenim ekstremnim uslovima, tj. veoma visokom pritisku i temperaturi koji se dešavaju naprimjer pri udaru meteora ili asteroida. Pri tome se zadržava heksagonalni karakter kristalne strukture grafita, ali za razliku od običnog grafita svaki atom ugljika se veže kovalentnom vezom sa još četiri atoma.[18]
Amorfni ugljik
Postoji više oblika elementarnog ugljika, pod zajedničkim nazivom amorfni ugljik. Rentgenskom analizom je utvrđeno da čestice amorfnog ugljika sadrže grafitnu strukturu, pa zbog toga amorfni ugljik nije posebna alotropska modifikacija. Glavne vrste amorfnog ugljika su: aktivni ugalj, mineralni ugalj, koks, čađ.[16]
Pentagrafen
Istraživači na Univerzitetu Virginia Commonwealth i univerzitetima u Japanu i Kini sačinili su u augustu 2014. novu strukturnu varijantu ugljika nazvanu pentagrafen. On se sastoji iz veoma tankih slojeva čistog ugljika koji ima jedinstvenu strukturu, inspiriranu pentagonalnom shemom koja podsjeća na popločane ulicu u Kairu. Ovaj novootkriveni materijal je dinamički, termalno i mehanički stabilan. Istraživanja su pokazala da kada se pentagrafen umota u obliku valjka, takve nanocijevi posjeduju poluprovodničke osobine, bez obzira na njihovu hiralnost. Očekuje se da će ovaj materijal naći široku primjenu u nanoelektronici i nanomehanici.[19]
Izotopi
Ciklus 14C
Ugljik ima dva stabilna izotopa: 12C i13C. Izotop 12C je daleko uobičajeniji u prirodi i čini 98,9 % prirodnog ugljika, dok na izotop 13C otpada 1,1%. Po definiciji izotop 12C je osnova za jedinicu atomske mase. Izotop 13C se može detektirati u NMR spektroskopskim ispitivanjima, jer ima drugačiji magnetski momenat od 12C.
Osim ova dva stabilna izotopa postoji još nekoliko nestabilnih. Najpoznatiji nestabilni izotop ugljika je 14C koji ima vrijeme poluraspada od 5730 godina. On nastaje prirodnim raspadanjem 14N u gornjim slojevima atmosfere.
Organski materijal, koji učestvuje u ugljikovom ciklusu u prirodi, ima isti udio 14C u odnosu na stabilne izotope kao i ugljik u atmosferi. Nakon završetka razmjene materija, naprimjer pri opadanju lišća sa drveta, ovaj odnos se postepeno smanjuje zbog radioaktivnog raspada. Mjerenjem odnosa količina izotopa 14C i stabilnih izotopa moguće je tačno procijeniti starost predmeta koji je nastao od organskog materijala, što je poznato kao metoda datiranja ugljikom C-14 a našla je primjenu u arheologiji.
Historija
René A. F. de Réaumur je 1772. pokazao da se željezo prevodi u čelik apsorpcijom suspstance, za koju se danas zna da je ugljik.[20] Godine 1772, Antoine Lavoisier je dokazao da je dijamant forma ugljika, spaljivanjem uzorka ugljika i dijamanta, pri čemu je dokazao da ne nastaje voda kao produkt i da i jedan i drugi oslobađaju istu količinu ugljen-dioksida po gramu.
Carl Wilhelm Scheele je dokazao da je grafit, za koji se mislilo da je oblik olova, u stvari oblik ugljika.[21] Godine 1786, francuski naučnici Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge i C. A. Vandermonde pokazali su da je ova supstanca ugljik.[22] Oni su predložili ime karbon za ovaj element (latinskicarbonum). Antoine Lavoisier uveo je ugljik kao hemijski element u svojoj knjizi iz 1789. godine.[21]
Upotreba ugljenika
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.
Ugljik je element koji poslije vodika može graditi najveći broj poznatih spojeva među svim elementima (vodik je na prvom mjestu, jer većina spojeva ugljika također sadrži i vodik). Posebnost ugljika je da može praviti duge lance i prstenove molekula sa samim sobom kao i sa drugim elementima, a u molekulama može se spajati i dvostrukom i trostrukom vezom koristeći π-orbitale. Prilikom stvaranja višestrukih veza ugljiku preostaje i jedan slobodan elektron, koji može dalje reagirati, za razliku od takvih veza kod kisika i dušika. To znači da se otvaraju mogućnosti za dalje reakcije i formiranje spojeva. Zbog svoje srednje snažne elektronegativnosti ima izuzetno dobre mogućnosti spajanja bilo sa elektropozitivnim kao i sa elektronegativnim elementima. U prirodnim organskim i neorganskim spojevima nalazi se u oksidacijskim stanjima u cijelom rasponu od -IV do +IV.
Spojevi ugljika se tradicionalno ubrajaju u organsku hemiju, uz samo nekoliko izuzetaka. Ova grana hemije ponekad se naziva i hemija ugljika. Organska hemija obuhvata, zbog posebnih sposobnosti ugljika, da gradi duge molekulske lance i kovalentne veze sa drugim atomima, više spojeva nego cijela neorganska hemija. I biohemija je također dio organske ugljikove hemije. Među najjednostavnije organske spojeve ubrajaju se alkani metan i etan.
Samo relativno malehni broj spojeva ugljika se tradicionalno ubraja u neorganske spojeve, među njima količinski najvažniji spojevi sa kisikom:
karbidi; spojevi ugljika tipa ExCy, u kojima je ugljik elektronegativniji dio molekule. Mnogi metali mogu graditi karbide, a koji su djelimično izuzetno tvrdi i pogodni za izradu alata za rezanje (naprimjer volfram karbid)
ugljen-monoksid (CO, ugljik monoksid), vrlo otrovni plin, koji djeluje kao jako redukciono sredstvo i igra značajnu ulogu u industrijskom topljenju metala (naprimjer željeza)
ugljen-dioksid (CO2, ugljik(IV) oksid) je staklenički plin koji se otpušta u velikim količinama sagorijevanjem fosilnih goriva (uglja, nafte i zemnog plina). Otpuštaju ga i većina živih bića u procesu disanja, a za biljke je neophodan za proces fotosinteze. Ugljik dioksid čini oko 0,038% Zemljine atmosfere, a procjenjuje se da je prije industrijske ere njegova koncentracija u atmosferi iznosila oko 0,028%.
ugljenična kiselina (H2CO3) je metastabilni proizvod sastavljen od vode i u vodi otopljenog CO2; srednje jaka kiselina, ali se zbog neprestanog prelaska između ugljične kiseline i otopljenog CO2, najčešće se obuhvata zajedno sa ugljik dioksidom.
Hidrogenkarbonat ili bikarbonat E+ HCO3−, čiji je najpoznatiji predstavnik natrijum hidrogen karbonat, šire poznat i pod trgovačkim nazivom soda bikarbona.
Karbonati E2+ CO32− su dvovalentne soli ugljične kiseline. Dva najpoznatija karbonata su natrij karbonat (sa trivijalnim imenom soda), važna sirovina za proizvodnju stakla i kalcijum karbonat koji se može izdvojiti iz školjki, oklopa puževa i slično, a gradi i kamene korale. Tokom Zemljine geneze kalcij karbonat koji se taložio i drugim procesima sakupljao od školjki i sličnih životinja te danas su od njega građene cijele planine. Kalcij karbonat je važan građevinski materijal.
Spojevi ugljika i sumpora, među kojima je najpoznatiji spoj ugljen-disulfid (CS2), koji je vrlo otrovna tekućina.
Spojevi ugljika i dušika, poput cijanida, čiji je najpoznatiji predstavnik kalijum cijanid, vrlo snažni otrov koji blokira disanje čovjeka. Mnogi drugi cijanidi su također otrovni za čovjeka.
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
Ugljikov monoksid (CO) nastaje pri izgaranju ugljikovih spojeva uz ograničeni dotok kisika. Industrijski se proizvodi kao generatoski 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.
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.
Ugljen suboksid (C3O2) je plin neugodnog mirisa, koji se formira dehidriranjem malonske kiseline fosforovim 5 oksidom u vakuumu pri 140 do 150 °C. Ugljikov suboksid ima linearnu molekulu: O=C=C=C=O. Stabilan je na temperaturi vrelišta dušika: –78 °C, a na 25 °C 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 lesto se koriste kao abrazivna sredstva.
↑Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. izd., de Gruyter, Berlin 2007, str. 864, ISBN978-3-11-017770-1
↑Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). u: Pure and Applied Chemistry. 2010, str. 1, DOI:10.1351/PAC-REP-10-09-14
↑H. Kuchling: Taschenbuch der Physik. Fachbuchverlag Leipzig, 2007.
↑David R. Lide (Ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. izd. (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, str. 4-8, 135
↑Greenville Whittaker, A. (1978). „The controversial carbon solid–liquid–vapour triple point”. Nature276: 695–696.DOI:10.1038/276695a0
↑Simon MD, Geim AK (2000): Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87, str. 6200–6204 DOI:10.1063/1.372654
↑ 16,016,1Filipović, I., Lipanović, S.: Opća i anorganska kemija, Školska knjiga, 1973
↑Péter Németh, Laurence A. J. Garvie, Toshihiro Aoki, Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky, Peter R. Buseck, Lonsdaleite is faulted and twinned cubic diamond and does not exist as a discrete material, Nature Communications 5, Article number: 5447, objavljeno 20. novembra 2014, DOI:10.1038/ncomms6447
↑Shunhong Zhanga, Jian Zhouc, Qian Wanga, Xiaoshuang Chend, Yoshiyuki Kawazoef, Puru Jenac: Penta-graphene: A new carbon allotrope, PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015., 2. februar 2015., DOI:10.1073/pnas.1416591112
↑Ferchault de Réaumur, R-A (1722). L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé (English translation from 1956). Paris, Chicago.
↑Federico Giolitti (1914): The Cementation of Iron and Steel,McGraw-Hill Book Company, inc.
↑Paolo Strazzolini, Alberto Gambi, Angelo G. Giumanini, Hrvoj Vancik (1998). The reaction between ethanedioyl (oxalyl) dihalides and Ag2C2O4: a route to Staudinger’s elusive ethanedioic (oxalic) acid anhydride. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 (16): 2553–2558 DOI:10.1039/a803430c
Бухаркина Т. В. (1999). Т.В. Бухаркина, Н.Г. Дигуров. ur. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. ISBN5-7237-0139-8.
Ола Д.А. (1990). Ола Дж., Пракаш Г.К.С., Уильямс Р.Е. и др. Перевод с англ. В.И. Минкина. ur. Химия гиперкоординированного углерода. М.: Мир. ISBN5-03-001451-9.
Сладков А. М., Кудрявцев Ю. П. Алмаз, графит, карбин — аллотропные формы углерода // Природа. 1969. № 5. — С.37—44.
