Štyri charakteristiky uhlíka

Uhlík je nekovový prvok s chemickým symbolom C. Je to štvrtý najpočetnejší prvok vo vesmíre a 15. najpočetnejší prvok v zemskej kôre. Je to tiež druhý najhojnejší prvok u ľudí po kyslíku. Jeho chemické zloženie vedie k niekoľkým jedinečným vlastnostiam uhlíka.

Uhlík patrí do skupiny 14 periodickej tabuľky. Jeho atómové číslo je 6 a má atómovú hmotnosť 12,011. Oxidačné stavy uhlíka sa môžu pohybovať od -4 do +4, kde +4 existuje v zlúčeninách, ako je metán a sírouhlík, a +2 pre oxid uhoľnatý.

Vďaka fyzikálnym vlastnostiam rôznych uhlíkových alotropov sú užitočné v batériách, elektronike a nanomateriáloch. Uhlík je tiež „kráľom prvkov“, ktorý sa takmer formuje 10 miliónov zlúčenín doteraz vrátane organických, anorganických a organokovových zlúčenín.

Izotopy uhlíka sa vo veľkej miere používajú na rádiokarbónové datovanie (uhlík-14), molekulárnu štruktúru a lekársky výskum (uhlík-13). Uhlíkové vlákna navyše vykazujú vynikajúce mechanické vlastnosti a sú populárne v leteckom a civilnom staviteľstve.

Uhlík má iné alotropické formys rôznymi molekulárnymi konfiguráciami a atómovými štruktúrami. Fyzikálne vlastnosti uhlíka sa s každým alotropom veľmi líšia. Medzi najznámejšie alotropy uhlíka patria grafit, diamant a fullerény.

Grafit je jedným z najjemnejších známych materiálov a používa sa ako ceruzky a ako tuhé mazivo. Je tiež dobrým vodičom elektriny, čo je užitočné pri batériách a solárnych paneloch.

Grafén je jednoducho jedna atómová vrstva grafitu usporiadaná vo voštinovej mriežke. V grafénovej vrstve je každý atóm uhlíka viazaný kovalentne na ďalšie tri atómy, čím štvrtý elektrón necháva voľnú migráciu v rovine, a teda jeho elektrickú vodivosť.

Diamant je naopak najtvrdšou prirodzene sa vyskytujúcou látkou a je jednou z jedinečných vlastností uhlíka. Má takmer dvojnásobnú hustotu ako grafit a každý atóm uhlíka je štvorstranne viazaný na štyri ďalšie bez voľných elektrónov. Diamant je teda zlým vodičom elektriny. Diamant má tiež jasný vzhľad, na rozdiel od grafitu, ktorý je nepriehľadný.

Vedci syntetizovali aj ďalšie alotropy uhlíka, ako sú fullerény, uhlíkové nanopeny a ďalšie. Majú zvláštne vlastnosti a tvoria kvitnúcu oblasť výskumu v nanomateriály. Fullerény sú skupina dutých molekúl uhlíka v konformácii uzavretej klietky (buckyball) alebo valca (uhlíkové nanorúrky).

•••Vytvorené pomocou ChemDraw

C₆₀ buckyball objavili Sir Harold Kroto, Richard Smalley a Robert Curl mladší pomocou laseru na odparenie grafitových tyčí v atmosfére hélia. Atómy uhlíka sú spojené jednoduchými a dvojitými väzbami a vytvárajú 12 päťuholníkových a 20 šesťuholníkových plôch v tvare futbalovej lopty. Ich priekopnícke úsilie im prinieslo v roku 1996 Nobelovu cenu.

Uhlíkové nanorúrky, ktoré sú predĺženou verziou buckyballs, identifikoval Iijima Sumio. Sú vynikajúcim vodičom tepla a elektriny a sú užitočné pre elektroniku.

Uhlíkové nanorúrky tiež demonštrujú pôsobivú pevnosť v ťahu a majú vzrušujúce využitie v štrukturálnych materiáloch a medicíne. Riadená syntéza takýchto nanomateriálov však pre vedcov predstavovala veľkú výzvu.

Uhlík je základom života na Zemi a milióny zlúčenín obsahujúcich uhlík tvoria 18 percent všetkého živého. Môže vytvárať stabilné kovalentné väzby s inými atómami a javiť sa ako dlhé reťazce alebo kruhy silne prepojených väzieb uhlík-uhlík. Prispievajú k rozmanitosti a zložitosti zlúčenín uhlíka existujúcich na Zemi.

Títo zlúčeniny uhlíka zahŕňajú organické molekuly, ako sú proteíny, uhľohydráty a DNA nachádzajúce sa v bunkách živých organizmov, ako aj anorganické zlúčeniny, ako sú oxidy uhlíka. Štúdium organických molekúl predstavuje špecializovaný odbor zvaný organická chémia. Uhlík môže tiež vytvárať kovalentné väzby s kovom ako organokovové zlúčeniny. Takým príkladom je železný porfyrín, ktorý je väzbovým miestom kyslíka pre hemoglobín.

Napriek svojej hojnosti v prírode je uhlík za normálnych podmienok relatívne nereaktívny. Pri štandardnej teplote nereaguje na kyseliny (kyselina sírová alebo chlorovodíková) alebo zásady. Pri tejto teplote je tiež stabilný voči oxidácii. Pri vyšších teplotách však uhlík môže reagovať s kyslíkom za vzniku oxidov uhlíka (CO₂ a CO), s plynným sírou za vzniku sírouhlíka a so kremíkom za vzniku karbidov.

Je známych 15 izotopov uhlíka, z ktorých dva stabilné izotopy sú uhlík-12 (98,93% prírodného uhlíka) a uhlík-13 (1,07%). Uhlík-14 je najdlhšie trvajúci izotop s polčasom rozpadu 5 730 rokov. Najkratší izotop uhlíka je uhlík-8 a má polčas rozpadu 1,98739 x 10⁻²¹ sekúnd.

Izotop uhlík-14 je reprezentovaný ¹⁴₆C, kde prescript 14 je atómová hmotnosť a prescript 6 je atómové číslo. Uhlík-14 má veľmi nízku prirodzenú abundanciu (0,0000000001 percent), ale jeho dlhý polčas ho robí užitočným pre rádiometrické datovanie.

Uhlík-14 vzniká, keď dusík-14 reaguje s neutrónmi z kozmického žiarenia a pri tomto procese uvoľňuje protón. Uhlík-14 potom reaguje s kyslíkom a vytvára sa ¹⁴CO₂, ktorý je rovnomerne distribuovaný v atmosfére s ¹²CO_2.

¹⁴₇N + ¹₀n> ¹⁴₆C + ¹₁p

Uhlíkový cyklus začína, keď živé organizmy premieňajú oxid uhličitý (¹⁴CO₂ a ¹²CO₂ z atmosféry) na organické zlúčeniny fotosyntézou a uvoľnením späť do atmosféry dýchaním. V tejto rovnováhe je stanovený pomer ¹⁴CO₂ a ¹²CO₂ v organizmoch. Keď však zomrú, rovnováha sa zastaví a uhlík-14 podlieha beta rozkladu na dusík-14 podľa jeho 5 730-ročného polčasu.

¹⁴₆C> ¹⁴₇N + ⁰_-1e

Meranie relatívneho podielu uhlíka-14 v mŕtvom exemplári tak umožňuje výpočet času uplynulého po jeho smrti. Táto metóda rádiokarbónového datovania sa široko používa na datovanie fosílií a archeologických vzoriek starých 500 až 50 000 rokov.

Carbon-13 je ďalší izotop, ktorý sa hojne používa v mnohých aplikáciách. Napríklad sa používa v nukleárnej magnetickej rezonancii (NMR) na stanovenie molekulárnych štruktúr organických zlúčenín. Používa sa tiež ako označovací nástroj v kombinácii s hmotnostným spektrometrom na lekársky výskum.

Uhlík tiež vykazuje užitočné mechanické vlastnosti, iné ako jeho fyzikálne, chemické a jadrové vlastnosti.

Môže sa formovať zliatiny s oceľou na uhlíkovú oceľ, z ktorých obsah uhlíka sa pohybuje od 0,05 do 2 hmotnostných percent. Stredne uhlíková oceľ (0,3 - 0,6% uhlíka) má vyváženú pevnosť a ťažnosť, ako aj vynikajúcu pevnosť v ťahu. Procesom tepelného spracovania je možné oceľ s veľmi vysokým obsahom uhlíka (1,25 - 2% uhlíka) temperovať na veľkú tvrdosť a použiť ju na výrobu nožov.

Uhlíkové vlákna, ktoré sú vláknami hrubými 5 až 10 μm zloženými väčšinou z atómov uhlíka, vykazujú vysokú hodnotu tuhosť, pevnosť v ťahu, chemická odolnosť, teplotná tolerancia a nízka hmotnosť a tepelná odolnosť expanzia. Medza klzu ocele závisí od jej triedy a mäkká oceľ má medzu klzu 247 MPa. Uhlíkové vlákna majú pevnosti v ťahu od 1 600 do 6 370 MPa, a preto sú populárne v oblasti kozmického priemyslu, stavebníctva a šport.

Ak je na materiál vyvíjané napätie, deformuje sa najskôr elasticky. V tejto fáze sa po odstránení napätia môže vrátiť do pôvodného tvaru. Výťažnosť je definované ako napätie, ktoré materiál vydrží bez trvalej deformácie.

Keď dosiahne bod (horný medza klzu), v ktorom sa už nemôže vrátiť do svojich pôvodných rozmerov, podrobí sa plastickej deformácii, ktorá je trvalá a nezvratná. Pevnosť v ťahu je maximálna pevnosť, ktorú môže materiál vydržať bez zlyhania alebo zlomenia.