Čtyři charakteristiky uhlíku

Uhlík je nekovový prvek s chemickým symbolem C. Je to čtvrtý nejhojnější prvek ve vesmíru a 15. nejhojnější prvek v zemské kůře. Je to také druhý nejhojnější prvek u lidí po kyslíku. Jeho chemické složení vede k několika jedinečným vlastnostem uhlíku.

Uhlík patří do skupiny 14 periodické tabulky. Jeho atomové číslo je 6 a má atomovou hmotnost 12,011. Oxidační stavy uhlíku se mohou pohybovat od -4 do +4, kde +4 existuje ve sloučeninách, jako je methan a sirouhlík, a +2 pro oxid uhelnatý.

Fyzikální vlastnosti různých uhlíkových allotropů je činí užitečnými v bateriích, elektronice a nanomateriálech. Uhlík je také „králem živlů“ a tvoří se téměř 10 milionů sloučenin dosud včetně organických, anorganických a organokovových sloučenin.

Izotopy uhlíku se ve velké míře používají pro radiokarbonové datování (uhlík-14), molekulární strukturu a lékařský výzkum (uhlík-13). Uhlíková vlákna navíc vykazují vynikající mechanické vlastnosti a jsou oblíbená v leteckém a stavebním průmyslu.

Uhlík má jiné

Grafit je jedním z nejměkčích známých materiálů a používá se v tužkách a jako tuhé mazivo. Je také dobrým vodičem elektřiny, což je užitečné v bateriích a solárních panelech.

Grafen je jednoduše jedna atomová vrstva grafitu uspořádaná ve voštinové mřížce. V grafenové vrstvě je každý atom uhlíku vázán kovalentně ke třem dalším atomům, přičemž čtvrtý elektron je ponechán volný k migraci v rovině, a proto má elektrickou vodivost.

Naopak diamant je nejtvrdší přirozeně se vyskytující látka a je jednou z jedinečných vlastností uhlíku. Má téměř dvojnásobnou hustotu než grafit a každý atom uhlíku je čtyřstěnně spojen se čtyřmi dalšími bez volných elektronů. Diamant je tedy špatným vodičem elektřiny. Na rozdíl od grafitu, který je neprůhledný, má diamant také čistý vzhled.

Vědci také syntetizovali další allotropy uhlíku, jako jsou fullereny, uhlíkové nanopěny a další. Mají speciální vlastnosti a tvoří kvetoucí oblast výzkumu v nanomateriály. Fullereny jsou skupina dutých molekul uhlíku v konformaci uzavřené klece (buckyball) nebo válce (uhlíkové nanotrubice).

•••Vytvořeno pomocí ChemDraw

C.₆₀ buckyball objevili Sir Harold Kroto, Richard Smalley a Robert Curl Jr. pomocí laseru k odpařování grafitových tyčí v heliové atmosféře. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady jednoduchými a dvojnými vazbami za vzniku 12 pětiúhelníkových a 20 šestihranných ploch ve tvaru fotbalového míče. Jejich průkopnické úsilí jim v roce 1996 vyneslo Nobelovu cenu.

Uhlíkové nanotrubice, které jsou podlouhlými verzemi buckyballs, identifikoval Iijima Sumio. Jsou to vynikající vodiče tepla a elektřiny a jsou užitečné pro elektroniku.

Uhlíkové nanotrubice také ukazují působivou pevnost v tahu a mají vzrušující aplikace ve strukturálních materiálech a medicíně. Řízená syntéza takových nanomateriálů však pro vědce představovala velkou výzvu.

Uhlík tvoří základ života na Zemi, přičemž miliony sloučenin obsahujících uhlík tvoří 18 procent všeho živého. Může vytvářet stabilní kovalentní vazby s jinými atomy a vypadat jako dlouhé řetězce nebo kruhy se silně propojenými vazbami uhlík-uhlík. Přispívají k rozmanitosti a složitosti sloučenin uhlíku existujících na Zemi.

Tyto sloučeniny uhlíku zahrnují organické molekuly, jako jsou bílkoviny, sacharidy a DNA nacházející se v buňkách živých organismů, stejně jako anorganické sloučeniny, jako jsou oxidy uhlíku. Studium organických molekul představuje specializovaný obor zvaný organická chemie. Uhlík může také tvořit kovalentní vazby s kovem jako organokovové sloučeniny. Takovým příkladem je železný porfyrin, který je vazebným místem kyslíku pro hemoglobin.

Přes svou hojnost v přírodě je uhlík za normálních podmínek relativně nereaktivní. Při standardní teplotě nereaguje na kyseliny (kyselina sírová nebo kyselina chlorovodíková) nebo louhy. Při této teplotě je také stabilní vůči oxidaci. Při vyšších teplotách však uhlík může reagovat s kyslíkem za vzniku oxidů uhlíku (CO₂ a CO), s plynným sírou za vzniku sirouhlíku a se křemíkem za vzniku karbidů.

Existuje 15 známých izotopů uhlíku, z nichž dva stabilní izotopy jsou uhlík-12 (98,93% přírodního uhlíku) a uhlík-13 (1,07%). Uhlík-14 je nejdelší izotop s poločasem rozpadu 5 730 let. Nejkratší izotop uhlíku je uhlík-8 a má poločas rozpadu 1,98739 x 10⁻²¹ sekundy.

Izotop uhlík-14 je reprezentován ¹⁴₆C, kde prescript 14 je atomová hmotnost a prescript 6 je atomové číslo. Uhlík-14 má velmi nízkou přirozenou hojnost (0,0000000001 procent), ale jeho dlouhý poločas je užitečný pro radiometrické datování.

Uhlík-14 vzniká, když dusík-14 reaguje s neutrony z kosmického záření a uvolňuje proton v tomto procesu. Uhlík-14 potom reaguje s kyslíkem za vzniku ¹⁴CO₂, který je rovnoměrně rozložen v atmosféře s ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁p

Uhlíkový cyklus začíná, když živé organismy přeměňují oxid uhličitý (¹⁴CO₂ a ¹²CO₂ z atmosféry) na organické sloučeniny fotosyntézou a uvolněním zpět do atmosféry dýcháním. V této rovnováze je fixní poměr ¹⁴CO₂ a ¹²CO₂ v organismech. Když však zemřou, rovnováha se zastaví a uhlík-14 prochází beta rozpadem na dusík-14 podle svého 5 730 letého poločasu.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1E

Měření relativního podílu uhlíku-14 v mrtvém vzorku tak umožňuje výpočet času uplynulého po jeho smrti. Tato metoda datování radiokarbonem byla široce používána pro datování fosilií a archeologických vzorků starých 500 až 50 000 let.

Uhlík-13 je další izotop, který se hojně používá v mnoha aplikacích. Například se používá v nukleární magnetické rezonanci (NMR) pro stanovení molekulárních struktur organických sloučenin. Používá se také jako etiketovací nástroj v kombinaci s hmotnostním spektrometrem pro lékařský výzkum.

Uhlík také vykazuje užitečné mechanické vlastnosti, jiné než jeho fyzikální, chemické a jaderné vlastnosti.

Může se tvořit slitiny z oceli na uhlíkovou ocel, jejíž obsah uhlíku se pohybuje od 0,05 do 2 hmotnostních procent. Středně uhlíková ocel (0,3–0,6% uhlíku) má vyváženou pevnost a tažnost a také vynikající pevnost v tahu. Procesem tepelného zpracování lze ocel s vysokým obsahem uhlíku (1,25–2% uhlíku) temperovat na vysokou tvrdost a použít ji k výrobě nožů.

Uhlíková vlákna, která jsou vlákna o tloušťce 5 až 10 μm složená převážně z atomů uhlíku, vykazují vysokou hodnotu tuhost, pevnost v tahu, chemická odolnost, teplotní tolerance a nízká hmotnost a teplota rozšíření. Mez kluzu oceli závisí na jejím druhu a měkká ocel má mez kluzu 247 MPa. Uhlíková vlákna mají pevnost v tahu od 1 600 do 6 370 MPa, a proto jsou populární v oblasti letectví, stavebnictví a sportovní.

Když je na materiál vyvíjeno napětí, deformuje se nejprve elasticky. V této fázi se může po odstranění napětí vrátit do původního tvaru. Mez kluzu je definováno jako napětí, které materiál vydrží bez trvalé deformace.

Když dosáhne bodu (horní mez kluzu), kde se již nemůže vrátit do původních rozměrů, podstoupí plastickou deformaci, která je trvalá a nevratná. Pevnost v tahu je maximální pevnost, které materiál vydrží, aniž by selhal nebo se zlomil.