Uhlík

                   Vlastnosti:

-má značku C, řadí se do IV.A skupiny, typická ox. čísla jsou -IV, II, IV

-elektronová konfigurace: 1s22s22p2 , může jednou excitovat (v orbitalu 2p má volné místo) → v excitovaném stavu má tedy čtyři nespárované elektrony ve valenční vrstvě => čtyřvaznost

-je to nekov, je poměrně málo reaktivní → s jinými prvky obvykle reaguje až při vyšší teplotě; k reakcím se proto používají jeho technické formy (např. koks nebo uhlí)

-dále se může neomezeně řetězit: uhlíkové řetězce mohou být otevřené(nerozvětvené/rozvětvené) nebo uzavřené (cyklické)

-od 1/12 atomové hmotnosti nuklidu uhlíku¹² ₆C odvozujeme atomovou hmotnostní konstantu: m_u=1,660*10^-27

                   Výskyt:

-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.

 

-sloučeniny uhlíku jsou také jedním ze základů světové energetiky, především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí nám slouží zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění

-produkty zpracování ropy jsou zase nezbytné pro pohon spalovacích motorů a tím i pro silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva atd.

                        Čistý uhlík se vyskytuje v několika alotropických modifikacích:

                             Grafit

-černý, neprůhledný, tvrdost 0,5-1, snadno se otírá, dobrý vodič

-Struktura grafitu se skládá z vrstev, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou vázany další tři uhlíky([[hybridizace3]] sp. Tvoří se zde rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů| (pí -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. Z grafitu se zhotovují elektrody, tavicí kelímky, slouží také jako mazadlo, moderátor (zpomaluje neutrony) do jaderných reaktorů.

                             Grafen

-Je forma uhlíku podobná grafitu. Tvoří jej rovinná síť několika vrstev vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků.

Diamant

 

-bezbarvý, tvrdost 10, průhledný, nevodivý

-Je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem. Váha 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 (nikdy se nepřehřejí) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích. Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky.

                             Lonsdaleit

-Též zvaný „šesterečný diamant“, je velmi řídce se vyskytující 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.

                             Fullereny

-Označují nově objevené kulovité molekuly, složené z pěti nebo častěji šestičlenných kruhů atomů uhlíku. Jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikální 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. V současné době je výzkum vlastností a metod přípravy fullerenů velmi intenzivně studován na řadě špičkových vědeckých institucí v celém světe.

                             Uhlíkové nanotrubice

-Jsou uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z atomů uhlíku o tloušťce pouhých několika nanometrů. 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.

 

                             Saze

-Je tmavý prachový nános nespálených palivových zbytků, obvykle složený hlavně z amorfního uhlíku.

-Vzniká zvláště při spalování organických paliv za nedostatku kyslíku. Hromadí se v komínech, automobilových výfucích (hlavně automobilů se vznětovým (Dieslovým) motorem) a dalších površích vystavených kouři.

-Saze byly užívány jako černé barvivo v barvách a inkoustech již od prehistorických časů, a jsou ještě široce používány v tiskařských inkoustech, tonerech, laserových tiskárnách, a v chemickém průmyslu. Jsou také využívány jako potravinářské barvivo, například lékořicové bonbóny. Nejdůležitějším způsobem využití je jako plnivo kaučukových pneumatik. Toto použití spotřebuje 85% průmyslově vyrobených sazí.

                             Aktivní uhlí

-Je produkt vyráběný z uhlí, dřeva nebo kokosových ořechů. Aktivní uhlí má pórovitou strukturou a velký vnitřní povrch (400-1500 m2/g). Může adsorbovat široké spektrum látek

-využívá se k čištění vod, vzduchu, v lékařství

Dále se vyskytuje vázaný:  v anorganických sloučeninách ( kalcit (CaCO₃), magnezit MgCO₃)

ve všech organických sloučeninách (je to biogenní prvek)

                   Anorganické sloučeniny

                        a) bezkyslíkaté

                             Karbidy

– sloučeniny uhlíku a prvků o malé elektronegativitě (kovy, bor, křemík)

např.: karbid vápenatý CaC₂

               karbid křemičitý SiC

reakce:

                                  Karbid hlinitý hydrolyzuje za vzniku methanu.

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

                                  Karbid vápenatý hydrolyzuje za vzniku acetylenu.

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

(acetylen se využíval ke svícení)

                             Halogenidy uhlíku

-připravují se halogenací oxidů uhlíku, methanu

např.: chlorid uhličitý CCl₄

-nepolární rozpouštědlo

-rce probíhá za zvýšené teploty, UV

CH₄ + Cl₂ → HCl + CH₃Cl

CH₃Cl +Cl₂ → HCl + CH₂Cl₂

CH₂Cl₂ + Cl₂ → HCl + CHCl₃

CHCl₃ + Cl₂ → HCl + CCl₄

 

trichlormethan = chloroform

-kdysi se používal jako inhalační anestetikum, ale dnes se ví, že je škodlivý (v játrech se mění na fosgen=ve styku s vlhkostí sliznic se rozkládá na HCl s leptá je)

freony

                             Kyanidy

-M^ICN

-jsou to sloučeniny uhlíku s dusíkem (soli kys. kyanovodíkové – HCN ) a jsou prudce jedovaté

např.: kyanid draselný KCN

žlutá krevní sůl K₄[Fe(CN)₆]

červená krevní sůl K₃[Fe(CN)₆]

pozn.:kyanidový anion CN– se může účastnit komplexotvorných reakcí, donorem elektronového páru v CN- ligandu bývá atom uhlíku, vznikají komplexní kyanidy-   například právě naše staré známé krevní soli- viz výše

                                                          Sirouhlík CS₂

-vzniká z prvků zahřátím, je to jedovatá, snadno zápalná kapalina, používá se jako nepolární rozpouštědlo

                        b) kyslíkaté

                             Oxid uhelnatý CO

-jedovatý bezbarvý plyn, při vdechování se váže na krevní barvivo hemoglobin pevněji a rychleji než kyslík, a zabraňuje tak přenosu O2 v organismu

– nereaguje s vodou

-vzniká spalováním uhlíku za nedostatečného přístupu vzduchu nebo za vysokých teplot: C + O₂ → 2CO

-dále např. dehydratací kyseliny mravenčí: HCOOH → CO+ H₂O

-oxid uhelnatý je značně reaktivní plyn se silně redukčními účinky, odnímá oxidům kyslík => využití při redukci oxidů železa: Fe₂CO₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

-je složkou průmyslově důležitých plynů, např. vodního a generátorového plynu

-je součástí výfukových plynů spalovacích motorů a značně přispívá k znečišťování ŽP

                                                          Oxid uhličitý CO₂

-bezbarvý plyn, bez zápachu, rozpustný ve vodě, těžší než vzduch, nehoří a působí dusivě, na rozdíl od CO je podstatně méně reaktivní, za obvyklé teploty stálý

-přepravuje se v ocelových lahvích s černým pruhem

-slabé oxidační činidlo

-vzniká dokonalým spalováním uhlíku, dále při dýchání, kvašení, tlení, hoření uhlí a je konečným produktem spalování každé organické látky: C + O₂ → CO₂

-dále vzniká tepelným rozkladem vápence (hydrogenuhličitanu vápenatého):

Ca(HCO₃)₂ ← → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

-laboratorně se získává tepelným rozkladem uhličitanů nebo reakcí uhličitanů se silnými kyselinami: CaCO₃ + 2HCl → CO₂ + CaCl₂ + H₂O

-silným ochlazením CO2 se získá pevný oxid uhličitý (suchý led), směs suchého ledu a acetonu nebo methanolu slouží jako chladící směs pro teploty až do -76 °C

-při rozpouštění CO2 ve vodě jen nepatrná část jeho molekul reaguje s vodou a vzniká kyselina uhličitá H2CO3, zahříváním se zpětně rozkládá na vodu a oxid uhličitý:

CO₂ + H₂O ← → H₂CO₃

od kyseliny uhličité se odvozují dvě řady solí: hydrogenuhličitany M^IHCO₃ a uhličitany M₂^ICO₃ (karbonáty)

-hydrogenuhličitany jsou ve vodě rozpustné (nejvýznamnější je jedlá soda), uhličitany (s výjimkou Na₂CO₃, K₂CO₃ a NH₄CO₃) se ve vodě téměř nerozpouštějí (významné jsou K₂CO₃ potaš a Na₂CO₃ soda – používají se k výrobě skla a pracích prostředků )

-významným derivátem kyseliny uhličité je fosgen COCl₂ (chlorid karbonylu), jedovatý dusivý, bezbbarvý plyn bez zápachu) vzniká při hašení tetrachlorovými hasicími přístroji

Využití CO₂ :            při fotosyntéze

sifon

do hasicích přístrojů

-je to skleníkový plyn

                                                          Hydrogenuhličitan vápenatýNaHCO₃

-jedlá soda → zásaditý charakter, používá se jako neutralizační prostředek (např. při překyselení žaludku), dále v potrevinářství jako konzervant

 

→ vzájemná přeměna mezi uhličitanem vápenatým a hydrogenuhličitanem vápenatým je podstatou krasových jevů

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ← → Ca(HCO₃)₂

                   Organické sloučeniny

                             Struktura:

-je dána nejen pořadím a polohou atomů a vazeb, ale i prostorovým uspořádáním

Izomerie:         -jev, při kterém se sloučeniny se stejným souhrnným vzorcem liší prostorovým             uspořádáním atomů → tyto sloučeniny nazýváme izomery; můžeme je dále          rozdělit:            konstituční izomery– mají stejný souhrnný vzorec,ale liší se                                    konstitucí → způsobem a pořadím, jak jsou atomy vzájemně                                 propojeny;

např.: C₂H₆O

dimethylether CH₃-O-CH₃ a ethanol CH₂CH₃OH

konfigurační izomery-mají stejný souhrnný vzorec a konstituci, ale                      liší se prostorovým uspořádáním v molekule;

např.: cis a trans-but-2-en

enantiomery-jsou k sobě jako vzor a jeho obraz v zrcadle (nejsou              navzájem ztotožnitelné, např.: jako pravá a levá ruka; podmínkou                  jejich existence je tzv. chirální centrum = asymetrický uhlíkový atom               se 4 různými substituenty → stáčejí polarizované světlo o stejný úhel,

avšak v opačném směru

Konformace: – přestavuje různá prostorová uspořádání molekul téže sloučeniny, která je             umožněna vnitřní rotací částí molekul kolem jednoduchých vazeb např.:           zákrytová a nezákrytová forma ethenu

                             Rozdělení organických sloučenin:

Uhlovodíky: -molekuly tvořeny pouze atomy uhlíku a vodíku

Deriváty uhlovodíků:    halogenderiváty

nitrosloučeniny

aminy

hydroxysloučeniny:   alkoholy

fenoly

ethery

karbonylové sloučeniny:      aldehydy

ketony

karboxylové kyseliny

deriváty karboxylových kys. soli

estery

amidy

halogenidy

nitryly