Uhlík

Uhlík je typický nekovový prvok, ktorý sa ako minerál v elementárnom stave vyskytuje v prírode v dvoch základných modifikáciách a v posledných približne 20 rokoch bola laboratórne vytvorená tretia modifikácia:

• Tuha alebo grafit je tvorená/ý uhlíkom, ktorý kryštalizuje v šesťuholníkových šupinkách a patrí medzi najmäkšie známe minerály. Táto vlastnosť sa využíva napr. pri výrobe ceruziek, v ktorých mletá tuha tvorí základnú zložku tyčinky určenej na písanie a kreslenie.

• Diamant je tvorený uhlíkom, ktorý kryštalizuje v kockovej sústave, je veľmi cenným minerálom a patrí medzi najtvrdšie materiály. Váha diamantov sa udáva v karátoch, najväčším dosiaľ nájdeným diamantom bol Cullinan, ktorý v surovom stave pri nájdení v JAR mal hmotnosť 3 106 karátov.[1]

• Fullerény sú novo objavené sférické molekuly, zložené z päť alebo častejšie so šesťčlenných kruhov atómov uhlíka. V priestore sú tieto molekuly usporiadané do guľovitého tvaru a sú mimoriadne odolné voči vonkajším fyzikálnym vplyvom. Zatiaľ najstabilnejší známy fullerén je molekula, obsahujúca 60 uhlíkových atómov. Fullerény sa umelo pripravujú pyrolýzou organických zlúčenín laserom. Za objav a štúdium vlastností fullerénov bola v roku 1996 udelená Nobelova cena za chémiu Robertovi F. Curlovi, Richardovi E. Smalleyovi a Haroldovi W. Krotoovi. V súčasnosti je výskum vlastností a metód prípravy fullerénov veľmi intenzívne skúmaný v mnohých špičkových vedeckých inštitúciách po celom svete.

• Grafén je podobný grafitu s tým rozdielom, že je najtenší a najtvrdší materiál na svete. Objavili ho Andre Geim a jeho kolega Konstantin Novoselov v roku 2004. Elektróny grafénu akoby porušovali fyziku. Pohybujú sa takmer rýchlosťou svetla bez toho, aby do seba narážali. To sa dá využiť v tranzistoroch, pamätiach alebo mikroprocesoroch.

V anorganických chemických zlúčeninách sa uhlík vyskytuje s oxidačným číslom +II, +IV a -I.

• Z oxidov je dôležitý najmä oxid uhličitý CO₂, ktorý sa zúčastňuje na vytváraní rastlinných tkanív v procese fotosyntézy a súčasne sa vracia do atmosféry pri dýchaní živých organizmov a spaľovaní fosílnych palív.

• Vo vode sa CO₂ rozpúšťa za vzniku veľmi slabej kyseliny uhličitej H₂CO₃. Známe sú predovšetkým soli tejto kyseliny, uhličitan vápenatý CaCO₃ – vápenec a uhličitan horečnatý MgCO₃ – magnezit.

• So sírou vytvára uhlík toxickú kvapalnú zlúčeninu nazývanú sírouhlík CS₂.

• Oxid uhlíka s valenciou +2, oxid uhoľnatý CO je pomerne toxický plyn, ktorý blokuje krvné farbivo hemoglobín a znemožňuje tak dýchanie. Jeho nebezpečenstvo spočíva najmä v tom, že je bezfarebný a bez zápachu a človek preto jeho prítomnosť v okolí nemôže spoznať svojimi zmyslami. Bol príčinou mnohých smrteľných otráv v uhoľných baniach alebo v domácnostiach, kde sa na vykurovanie používal svietiplyn.

• S dusíkom tvorí uhlík kyanidový ión CN^- a kyanovodík HCN, ktorý tiež patrí k mimoriadne toxickým látkam. V tomto prípade však môžeme čuchom určiť jeho silný zápach po horkých mandliach.

• S kovovými prvkami tvorí uhlík zlúčeniny nazývané karbidy. Najznámejší je karbid vápenatý CaC₂, ktorý pri reakcii s vodou uvoľňuje acetylén a v minulosti sa používal v lampách na svietenie, v tzv. karbidkách. Pomerne známy je aj karbid kremičitý (SiC) alebo karborundum, ktorý má kryštalickú štruktúru podobnú diamantu a vyznačuje sa mimoriadnou tvrdosťou.

Organické zlúčeniny sú chemické látky, ktoré obsahujú väzbu C-C. Každý atóm uhlíka je schopný vytvárať celkom 4 tieto tzv. jednoduché väzby, okrem toho aj väzbu dvojitú C=C a väzbu trojitú. Môžu preto vznikať dlhé reťazce a molekuly s rozvetvenou alebo cyklickou štruktúrou. Spolu s uhlíkom sa v týchto molekulách viažu aj ďalšie prvky, najmä biogénne prvky vodík, kyslík, dusík, síra a fosfor, ale môžu to byť aj halogény, kremík a mnoho ďalších. Vďaka tomu existuje veľa kombinácií; v súčasnosti poznáme viac ako 10 miliónov organických zlúčenín.

Práve vďaka tejto obrovskej rozmanitosti sa organické látky stali základným stavebným kameňom živej hmoty. Každá bunka živého organizmu obsahuje desiatky tisíc chemických zlúčenín, ktoré majú tú jedinú spoločnú vlastnosť, že ich základný skelet je vytvorený atómami uhlíka v rôznych väzobných stavoch.

Nasledujúci výpočet typov organických zlúčenín zďaleka nie je úplný a mal by iba informovať o najčastejšie používaných a vyrábaných typoch organických látok.

• Uhľovodíky sú zlúčeniny, ktoré vo svojej molekule obsahujú iba atómy uhlíka a vodíka. Je možné ich v zásade rozdeliť na:
  • alifatické, ktorých molekuly majú tvar reťazca a
  • alicyklické, ktorých molekuly majú tvar kruhu
    • Obidve tieto skupiny potom podľa väzieb medzi atómami uhlíka delíme na:
    • alkány s iba jednoduchou väzbou C-C
    • alkény, obsahujúce minimálne jednu dvojitú väzbu C=C a
    • alkíny, obsahujúce minimálne jednu trojitú väzbu
  • aromatické, ktorých molekuly obsahujú aspoň jeden šesťčlenný kruh, tzv. benzénové jadro.
• Zlúčeniny, ktoré vo svojej molekule obsahujú C, H a O, možno zhruba rozdeliť do nasledujúcich skupín:
  • alkoholy, obsahujúce skupinu C-OH
  • fenoly, ktoré skupinu -OH majú pripojenú k aromatickému jadru
  • étery, obsahujúce skupinu C-O-C
  • peroxidy, obsahujúce skupinu C-O-O-C
  • aldehydy, obsahujúce skupinu HC=O
  • ketóny, obsahujúce skupinu C-CO-C
  • karboxylové kyseliny, obsahujúce skupinu -COOH
  • estery, obsahujúce skupinu R-C-OOR

• Ďalšie typy organických zlúčenín, ktoré vo svojej molekule obsahujú aj dusík alebo síru, budú uvedené v článkoch o týchto prvkoch.

Grafit

Grafit alebo tuha je minerál, ktorý sa nachádza na mnohých miestach na Zemi. Jedny z najväčších grafitových baní sa nachádzajú v USA (Texas a štát New York), Mexiku, Indii a Rusku. Grafit je napr. aj zložkou sadzí, ktoré vznikajú spaľovaním fosílnych palív. Je však v čiastočkách tak malých, že sadza má skôr vlastnosti amorfného uhlíka.

Grafit sa priemyselne využíva najmä na výrobu ceruziek. Pritom sa najskôr spoločne s vápnom veľmi jemne pomelie a potom vylisuje do vhodného tvaru.

Ďalšie významné použitie grafitu je v metalurgickom priemysle. Vzhľadom na jeho veľmi dobrú tepelnú odolnosť sa z neho vyrábajú nádoby, tzv. kokily, do ktorých sa odlievajú roztavené kovy a ich zliatiny. Zabráni sa tak kontaminácii zliatiny kovom, z ktorého by sa kokila musela vyrobiť. Z grafitu sa vyrábajú aj elektródy pre elektrolytickú výrobu hliníka z taveniny bauxitu a kryolitu alebo pri výrobe kremíka z taveniny oxidu kremičitého.

Umelo vyrobenou formou grafitu je tzv. sklený uhlík (angl. glassy carbon), ktorý sa vyznačuje vysokou hustotou, nízkou pórovitosťou a veľmi dobrou chemickou a mechanickou odolnosťou. V praxi sa vyrába presne riadeným dlhodobým vysokoteplotným (pyrolitickým) rozkladom organických látok na povrchu normálneho grafitu.

Vďaka mimoriadnym fyzikálnym a chemickým vlastnostiam sklového grafitu sa jeho praktické využitie aj napriek jeho vysokej cene stále rozširuje.

• Pre elektrochémiu je dôležitý fakt, že povrchy elektród zo sklového grafitu sú chemicky vysoko odolné a je možné na nich dosiahnuť vysoký kladný potenciál, bez toho aby dochádzalo k ich rozpúšťaniu ako pri normálnych kovových elektródach. To sa dá využiť ako v analytickej chémii pri skúmaní elektrochemických vlastností organických molekúl tak aj pre preparatívnu oxidáciu pri výrobe niektorých zlúčenín.

• Analytická metóda GFAAS (atómová absorpčná spektrometria s bezplamennou atomizáciou) používa na odparenie analyzovanej vzorky kyvetu, ktorá sa počas niekoľkých sekúnd zahrieva až na teplotu okolo 3 000 °C. Pokrytie vnútornej plochy tejto kyvety skleným grafitom dramaticky zvyšuje jej odolnosť a predĺži jej použiteľnosť v porovnaní s klasickou grafitovou kyvetou.

• V metalurgii sa na čistenie kovov metódou zonálneho tavenia používajú trubice pokryté skleným grafitom, v ktorých celý proces prebieha.

• Laboratórne pomôcky s povrchom zo skleného grafitu dosahujú rovnakú alebo dokonca lepšiu chemickú odolnosť ako pomôcky z platiny či z jej zliatiny s ródiom.

Neopracovaný diamant

Hlavný článok: Diamant

Diamant je jedným z najvzácnejších a najdrahších minerálov a drahokamov. Vyskytuje sa v rôznych farebných modifikáciách od takmer priehľadnej až po čiernu. Pretože k vzniku diamantu je potrebný obrovský tlak a vysoké teploty, nachádzajú sa predovšetkým tam, kde žeravá magma z veľkých hĺbok vystúpila na povrch a stuhla. Náleziská s najkvalitnejšími diamantmi ležia najmä v južnej Afrike – JAR, Namíbia, Sierra Leone, ďalej v Brazílii, Rusku, Kanade a Austrálii.

Diamanty sa v súčasnosti aj priemyselne vyrábajú, aj keď produkty zďaleka nedosahujú kvalít prírodných diamantov. Tzv. priemyselné diamanty sa preto využívajú najmä pre rôzne vrtné a rezné hlavice nástrojov, ktoré pre svoju činnosť musia mať mimoriadnu tvrdosť a odolnosť.

Prírodné diamanty slúžia už od pradávna najmä na výrobu tých najdrahších šperkov. Aby sa mohol diamant zasadiť do zlatého alebo platinového šperku, musí byť najskôr zložito a opatrne vybrúsený. K úspešnému vybrúseniu drahého a vzácneho diamantu je potrebná nielen skúsenosť, ale aj zručnosť a trpezlivosť. Strediskami brúsenia diamantov a obchodu s nimi sú belgické Antverpy a holandský Rotterdam a Amsterdam.

Medzi základné fosílne palivá patria uhlie, ropa a zemný plyn. Všetky tieto palivá obsahujú ako väčšinovú zložku pestrú paletu organických zlúčenín, ktoré podľa súčasných teórií vznikli dlhodobým anaeróbnym rozkladom organickej hmoty. V prípade uhlia sa zdá byť prekurzorom drevo druho- a treťohorných pralesov, ktoré boli zničené nejakou náhlou katastrofou.

Ropa a zemný plyn pochádzajú pravdepodobne zo živočíšnych tkanív obyvateľov pravekých morí, ktorí boli pri nejakej katastrofickej udalosti prekrytí vrstvou hornín a počas miliónov nasledujúcich rokov sa postupne rozložili za vzniku pestrej palety zlúčenín na báze uhľovodíkov.

Všetky vyššie uvedené komodity tvoria v súčasnosti chrbtovú kosť svetovej energetiky a prevažnej časti chemického priemyslu. Najmä ropa sa v posledných rokoch javí ako kľúčová surovina pre súčasnú civilizáciu. Je jednak základným zdrojom energie pre stále rastúcu dopravnú infraštruktúru a zároveň je zrejmé, že jej celosvetové zásoby môžu byť vyčerpané v nasledujúcich niekoľkých desaťročiach. Ovládnutie lokalít s ich výskytom sa v ďalších desaťročiach môže stať zdrojom globálneho konfliktu.

Ropa aj zemný plyn sa zvyčajne vyskytujú spoločne. V súčasnosti sa hlavným zdrojom tejto suroviny stala oblasť Perzského zálivu a Sibíri, ale nezanedbateľné množstvo ropy sa ťaží aj šelfových vodách Severného mora, v Mexickom zálive a juhovýchodnej Ázie. Aj náleziská v Texase doteraz poskytujú pomerne silný zdroj, ktorý však rozhodne pre potreby ekonomiky USA nestačí.

Svetové zásoby uhlia sú výrazne väčšie ako ropy a zemného plynu. V súčasnosti sa využíva skôr ako zdroj na výrobu elektrickej energie. V princípe ho možno prerobiť aj na kvapalný zdroj energie pre spaľovacie motory, ale problémom sú omnoho vyššie náklady na ťažbu aj nutnosť komplikovanejšej a drahšej cesty na získanie požadovaných produktov – teda predovšetkým benzínu a motorovej nafty.

Okrem energetického využitia nachádza uhlie využitie v metalurgii, kde po prerobení na koks slúži ako redukčné médium pri výrobe železa a podobných kovov z oxidických rúd vo vysokej peci.

jantárové prívesky so zaliatymi fosíliami

Zvláštnu formu uhlíkatého minerálu predstavuje jantár - mineralizované zvyšky treťohornej živice staré okolo 50 miliónov rokov. Priemerné chemické zloženie jantáru bolo určené ako C₁₀H₁₆O. Základná farba jantáru je zlatožltá, ale môžeme nájsť aj odrody celkom priehľadné, červené, kávové aj biele.

Nachádza sa v Európe ako skamenená živica borovíc a v Strednej Amerike a Mexiku, kde ide o živicu tropickej dreviny kopálu.

Význam jantáru je najmä vo výrobe šperkov a ozdobných predmetov. Asi najvýznamnejším projektom v tomto obore bola povestná Jantárová komnata, miestnosť obložená nádhernými umelecky spracovanými jantárovými blokmi v Petrohradskom cárskom paláci. V priebehu 2. svetovej vojny nemecké okupačné vojská Jantárovú komnatu rozobrali a odviezli na neznáme miesto. Dodnes sa po tejto kultúrnej pamiatke bezvýsledne pátra.

Ďalší význam jantáru je paleontologický. V hmote jantárových nálezov sú veľmi často perfektne zachované telá treťohorného hmyzu, peľ vtedajších rastlín a ďalšie artefakty.

Zaujímavé je, že sa dodnes nepodarilo jantár umelo vyrobiť, aj napriek tomu, že je dobre známe jeho chemické zloženie aj predpokladaný postup vzniku.

Čistý uhličitan vápenatý CaCO₃ je známy ako minerál kalcit.

Horniny na báze uhličitanu vápenatého alebo vápence sú biogénneho pôvodu, pretože vznikli prevažne z vápenatých ulít druhohorných morských živočíchov. Veľké náleziská týchto hornín sa nachádzajú v Česku, v Taliansku, Anglicku a napr. USA. Podľa prítomných prímesí majú rôznu farbu, od čisto bielej až po takmer čiernu, aj mechanické vlastnosti. Používajú sa preto na výrobu bežných stavebných surovín ako pálené vápno alebo cement alebo ako dekoračný kameň (mramor). Vápenec je tiež základom tzv. krasových javov, pri ktorých dochádza systémom zložitých rovnováh medzi uhličitanmi a hydrouhličitanmi vápnika ku vzniku nádherných prírodných úkazov najmä v jaskyniach a podzemných priestoroch.

Uhličitan horečnatý MgCO₃ nazývaný magnezit sa predovšetkým používa ako surovina na výrobu žiaruvzdorných materiálov pre výstavbu vysokých a cementárskych pecí. Veľké ložiská magnezitu sa nachádzajú na Slovensku, v Rakúsku, Číne a Kórei.

Pre hlavný článok, pozri Oxid uhličitý.

Oxid uhličitý CO₂ je bezfarebný plyn, bez zápachu, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku veľmi slabej kyseliny uhličitej. Tvorí približne 0,038 % objemu atmosféry Zeme, kam sa dostáva jednak dýchaním živých organizmov, jednak v súčasnosti stále rastúcim tempom spaľovania fosílnych palív.

Z atmosféry odčerpávajú oxid uhličitý rastliny procesom zvaným fotosyntéza s pomocou organického farbiva chlorofylu. Toto farbivo je schopné využiť energiu fotónu slnečného svetla na naštartovanie značne komplikovaného reťazca chemických reakcií, ich výsledok možno jednoducho opísať takto:

Uvedená reakcia je vcelku kľúčová pre všetok pozemský život, pretože s jej pomocou sa ku všetkým živým organizmom dostáva energia, ktorá im umožňuje existenciu a zároveň sa takto vytvára kyslík, ktorý je nevyhnutný pre ich dýchanie.

Zvyšujúca sa koncentrácia oxidu uhličitého je spojená s javom nazývaným skleníkový efekt, pretože molekuly CO₂ intenzívne pohlcujú infračervené žiarenie a zabraňujú tak jeho vyžarovaniu do kozmického priestoru. Tým dochádza k postupnému zahrievaniu povrchu Zeme a mohlo by to viesť napr. k pomerne prudkému topeniu ľadovcov a následnému zvýšeniu hladiny svetových oceánov až o desiatky metrov.

V priemysle sa oxid uhličitý využíva napr. ako inertná atmosféra pri procesoch, pri ktorých je nutné vylúčiť prítomnosť kyslíka. Pretože oxid uhličitý nehorí, používa sa aj ako náplň niektorých typov hasiacich prístrojov.

Oxid uhličitý sa tiež nachádza v množstve nápojov; buď je ich prirodzenou zložkou (alkoholové kvasenie piva, šumivého vína, burčiaku; minerálne vody) alebo sú ním sýtené umelo na zlepšenie chuti (ovocné limonády, lacnejšie perlivé vína, niektoré minerálky).

Stlačením oxidu uhličitého vzniká pevná látka, tzv. suchý ľad, ktorá ľahko sublimuje, pričom odoberá značné množstvo tepla z okolia a využíva sa na chladenie napr. v potravinárstve.

Hlavný článok, pozri Oxid uhoľnatý.

Oxid uhoľnatý CO je vysoko toxický, vznietiteľný až výbušný, bezfarebný plyn, bez zápachu, ktorý vzniká najmä nedokonalou oxidáciou organických zlúčenín uhlíka (nedokonalým horením).

Nachádza sa predovšetkým ako súčasť svietiplynu, ktorý vzniká tlakovým a tepelným rozkladom uhlia. Oxid uhoľnatý vzniká vždy v malom množstve pri spaľovaní benzínu a ropy v spaľovacích motoroch. Tým sa stáva významnou súčasťou tzv. suchého smogu losangeleského typu. V posledných rokoch je tvorba CO pri prevádzke spaľovacích motorov potlačovaná použitím autokatalyzátorov, zvyčajne založených na kombinácií pôsobenia rôznych platinových kovov na splodiny pri vysokej teplote. Pôsobením týchto katalyzátorov dochádza k takmer 100% konverzii oxidu uhoľnatého na oxid uhličitý. Malé množstvo oxidu uhoľnatého je aj v cigaretovom dyme ako dôsledok nedokonalého spaľovania tabaku.

Medzi prírodné zdroje oxidu uhoľnatého patria napr. zemný plyn, kde sa však nachádza iba v malých koncentráciách. Je zložkou banských plynov, kde spolu s metánom spôsobuje ich mimoriadnu výbušnosť, a sám o sebe je príčinou ich toxicity.

Vysoká toxicita oxidu uhoľnatého je daná jeho schopnosťou blokovať dýchací reťazec. Molekula CO sa pritom takmer ireverzibilne naviaže na atóm železa v molekule hemoglobínu, ktorá slúži ako prenášač kyslíka. Tak dôjde k zablokovaniu prenosu kyslíka z pľúc do organizmu a k uduseniu postihnutého organizmu.