Ugljik je nemetalni element s kemijskim simbolom C. Četvrti je po zastupljenosti element u svemiru i 15. po zastupljenosti u Zemljinoj kori. Također je drugi najrasprostranjeniji element u ljudima nakon kisika. Njegova kemijska građa dovodi do nekoliko jedinstvenih svojstava ugljika.
Ugljik pripada skupini 14 periodnog sustava. Njegov atomski broj je 6, a atomska je masa 12,011. Stanja oksidacije ugljika mogu varirati od -4 do +4, gdje +4 postoji u spojevima kao što su metan i ugljikov disulfid, i +2 za ugljični monoksid.
Fizička svojstva različitih ugljikovih alotropa čine ih korisnima u baterijama, elektronici i nanomaterijalima. Ugljik je također "kralj elemenata", formirajući gotovo 10 milijuna spojeva do danas, uključujući organske, anorganske i organometalne spojeve.
Izotopi ugljika intenzivno se koriste za radiokarbonsko datiranje (ugljik-14), molekularnu strukturu i medicinska istraživanja (ugljik-13). Uz to, ugljična vlakna pokazuju izvrsna mehanička svojstva i popularna su u zrakoplovstvu i građevinarstvu.
Allotropes of Carbon
Ugljik ima drugačije alotropni oblici, s različitim molekularnim konfiguracijama i atomskim strukturama. Fizička svojstva ugljika uvelike se razlikuju kod svakog alotropa. Neki od najpoznatijih alotropa ugljika uključuju grafit, dijamant i fulerene.
Grafit je jedan od najmekših poznatih materijala i koristi se u olovkama i kao čvrsta maziva. Također je dobar provodnik električne energije, što ga čini korisnim u baterijama i solarnim pločama.
Grafen je jednostavno jedan atomski sloj grafita raspoređen u rešetke saća. U sloju grafena svaki je atom ugljika kovalentno vezan za tri druga atoma, što ostavlja četvrti elektron slobodnim da migrira u ravnini, otuda i njegova električna vodljivost.
Dijamant je, naprotiv, najtvrđa tvar koja se prirodno javlja i jedno je od jedinstvenih svojstava ugljika. Ima gotovo dvostruku gustoću grafita, a svaki je atom ugljika tetraedrično vezan za četiri druga bez slobodnih elektrona. Stoga je dijamant loš vodič električne energije. Dijamant je također bistrog izgleda, za razliku od grafita koji je neproziran.
Znanstvenici su sintetizirali i druge alotrope ugljika, poput fulerena, ugljičnih nanopjenila i drugih. Posjeduju posebna svojstva i cvjetaju područje istraživanja u nanomaterijali. Fulereni su skupina šupljih molekula ugljika u konformaciji zatvorenog kaveza (backyball) ili cilindra (ugljikove nanocijevi).
•••Stvoreno pomoću ChemDraw-a
C60 buckyball otkrili su Sir Harold Kroto, Richard Smalley i Robert Curl Jr., koristeći laser za isparavanje grafitnih šipki u atmosferi helija. Atomi ugljika spojeni su jednostrukom i dvostrukom vezom da bi stvorili 12 peterokutnih i 20 šesterokutnih lica u obliku nogometne lopte. Njihovi pionirski napori donijeli su im Nobelovu nagradu 1996.
Ugljične nanocjevčice, koje su izdužene verzije buckyballs-a, identificirao je Iijima Sumio. Izvrsni su vodiči topline i električne energije i korisni su za elektroniku.
Ugljične nanocijevi također pokazuju impresivnu vlačnu čvrstoću i imaju uzbudljivu primjenu u strukturnim materijalima i medicini. Međutim, kontrolirana sinteza takvih nanomaterijala predstavlja velik izazov za znanstvenike.
Kemijska reaktivnost ugljika
Ugljik čini osnovu života na Zemlji, s milijunima spojeva koji sadrže ugljik čine 18 posto svih živih bića. Može stvoriti stabilne, kovalentne veze s drugim atomima i pojaviti se kao dugi lanci ili prstenovi jakih međusobno povezanih veza ugljik-ugljik. Oni pridonose raznolikosti i složenosti ugljikovih spojeva koji postoje na Zemlji.
Ovi spojevi ugljika uključuju organske molekule poput bjelančevina, ugljikohidrata i DNA koje se nalaze u stanicama živih organizama, kao i anorganske spojeve poput ugljikovih oksida. Proučavanje organskih molekula čini specijalizirano područje koje se naziva organska kemija. Ugljik također može tvoriti kovalentne veze s metalom kao organometalni spojevi. Takav je primjer željezni porfirin, koji je mjesto vezivanja kisika hemoglobina.
Unatoč svojoj brojnosti u prirodi, ugljik je relativno nereaktivan u normalnim uvjetima. Na standardnoj temperaturi nije reaktivan na kiseline (sumpornu ili solnu kiselinu) ili lužine. Također je stabilan na oksidaciju na ovoj temperaturi. Međutim, pri višim temperaturama ugljik može reagirati s kisikom i stvoriti ugljikove okside (CO2 i CO), sa sumpornim plinom za stvaranje ugljičnog disulfida i sa silicijem za stvaranje karbida.
Izotopi ugljika
Poznato je 15 izotopa ugljika, od kojih su ugljik-12 (98,93 posto prirodnog ugljika) i ugljik-13 (1,07 posto) dva stabilna izotopa. Ugljik-14 je najdugovječniji izotop, s poluvijekom od 5.730 godina. Izotop ugljika s najkraćim životnim vijekom je ugljik-8 i ima poluvijek od 1,98739 x 10−21 sekunde.
Izotop ugljik-14 predstavljen je s 146C, gdje je pretpostavka 14 atomska masa, a pretplata 6 atomski broj. Ugljik-14 ima vrlo nisku prirodnu zastupljenost (0,0000000001 posto), ali njegov dugi poluživot čini ga korisnim za radiometrijsko datiranje.
Ugljik-14 nastaje kada dušik-14 reagira s neutronima iz kozmičkog zračenja, oslobađajući u tom procesu proton. Ugljik-14 tada reagira s kisikom i stvara se 14CO2, koji je ravnomjerno raspoređen u atmosferi sa 12CO2.
147N + 10n> 146C + 11str
Ciklus ugljika započinje kada živi organizmi pretvore ugljični dioksid (14CO2 i 12CO2 iz atmosfere) u organske spojeve fotosintezom i disanjem ga puštaju natrag u atmosferu. U ovoj ravnoteži postoji fiksni omjer 14CO2 i 12CO2 u organizmima. Međutim, kad umru, ravnoteža se zaustavlja, a ugljik-14 prolazi kroz beta raspad do dušika-14 u skladu s vremenom poluživota od 5.730 godina.
146C> 147N + 0-1e
Mjerenje relativnog udjela ugljika-14 u mrtvom uzorku omogućuje izračunavanje vremena proteklog nakon njegove smrti. Ova metoda radiokarbonskog datiranja široko se koristi za datiranje fosila i arheoloških primjeraka starih 500 do 50 000 godina.
Ugljik-13 je još jedan izotop koji se intenzivno koristi u mnogim primjenama. Na primjer, koristi se u nuklearnoj magnetskoj rezonanci (NMR) za određivanje molekularnih struktura organskih spojeva. Također se koristi kao alat za označavanje u kombinaciji s masenim spektrometrom za medicinska istraživanja.
Mehanička svojstva ugljičnih vlakana
Ugljik također pokazuje korisna mehanička svojstva, osim svojih fizikalnih, kemijskih i nuklearnih svojstava.
Može nastati legure sa čelikom u ugljični čelik, čiji sadržaj ugljika varira od 0,05 do 2 mas.%. Srednje-ugljični čelik (0,3-0,6 posto ugljika) ima uravnoteženu čvrstoću i duktilnost, kao i izvrsnu vlačnu čvrstoću. Postupkom toplinske obrade, ultra-ugljični čelik (1,25-2 posto ugljika) može se ublažiti do velike tvrdoće i koristiti za proizvodnju noževa.
Ugljična vlakna, koja su debela 5 do 10 μm vlakna sastavljena uglavnom od atoma ugljika, pokazuju visoku razinu krutost, vlačna čvrstoća, kemijska otpornost, tolerancija na temperaturu i mala težina i toplinska širenje. Granica popuštanja čelika ovisi o njegovoj kvaliteti, a blagi čelik ima granicu popuštanja od 247 MPa. Ugljična vlakna imaju vlačne čvrstoće u rasponu od 1.600 do 6.370 MPa i stoga su popularne u području zrakoplovstva, građevinarstva i sportski.
Kada se na materijal izvrši stres, on se isprva elastično deformira. U ovoj se fazi može vratiti u svoj izvorni oblik kada se stres ukloni. Čvrstoća popuštanja definira se kao naprezanje koje materijal može podnijeti bez trajnih deformacija.
Kad dosegne točku (gornju granicu razvlačenja) u kojoj se više ne može vratiti u svoje izvorne dimenzije, podvrgava se plastičnoj deformaciji, koja je trajna i nepovratna. Vlačna čvrstoća je najveća čvrstoća koju materijal može podnijeti bez kvarenja ili lomljenja.