Značka: C Latinsky: carboneum Anglicky: carbon Uhlík Značka: C Latinsky: carboneum Anglicky: carbon

historie 2. polovina 18. st. – uhlík je prvek 1789 – pojmenován (A. L. Lavoisier: carbo – dřevěné uhlí), (Werner, Hartsen: graphein – psáti) 1796 – S. Tennant – spálením diamantu a zvážením vzniklého CO2 dokázal, že jde o modifikaci uhlíku 1807 – J. J. Berzelius – rozdělení sloučenin na organické a anorganické 1874 – J. H. van‘t Hoff, J. A. Le Bel – koordinační číslo 4 a tetraedrická struktura 1961 – 12C standard pro určení atomové hmotnosti

Izotopy a výskyt 12C 13C (nejběžneji 1,11 %) - spinové kvantové číslo jádra ½ → NMR 14C (radioaktivní, t1/2 = 5730 let) v zemské kůře: 180 ppm (17. místo) - volný a ve sloučeninách (uhličitany) dále: oxid v atm., ropa, …

Alotropické modifikace 6 krystalových forem: α- a β-grafit, diamant, lonsdaleit, chaoit, uhlík(VI) liší se: okolím uhlíkových atomů, skládáním vrstev v krystalu α-grafit hexagonální, nejstálejší β-grafit romboedrický → mletí (α na β), zahřívání nad 1025 °C (β na α)

diamant – kubická plošně centrovaná buňka; tetraedrické okolí každého atomu C (154,45 pm) - velké množství obsahuje dusík (0,05 – 0,25 %) lonsdaelit – vzácný, hexagonální, tetraedrická koordinace atomů C - tlakem podél osy c α-grafitu (stabilizace při 1000 °C)

chaoit – hexagonální, bílý - sublimační leptání pyrolytického grafitu za volného odpařování nad 2000 °C a 1,3*10-2 Pa uhlík(VI) - odporové/zářivé zahřívání grafitického uhlíku na 2300 °C v argonové atmosféře při 1,3*10-5 až 101,32 kPa odolnější vůči oxidaci a redukci než grafit, vlastnosti podobné diamantu základní stavební motiv karbinový

Další formy fullereny – sférické molekuly složené z pěti- a šesti-členných kruhů atomů uhlíku - odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům - nejstabilnější – 60 atomů uhlíku - mohou obsahovat atom/y kovu v dutině - vypařování grafitu v elektrickém oblouku v atmosféře inertního plynu - supravodivost (s alkalickými kovy, 18 K)

nanotrubice - odvozené z fullerenů - k výrobě pevných lehkých kompozitních materiálů grafen - podobný grafitu - rovinná síť z jedné vrstvy

Vlastnosti vysoké ionizační energie kovalentní poloměr jednoduché vazby (z diamantu) = 77,2 pm; rdvojná = 66,7 pm; rtrojná = 60,3 pm diamant – největší tepelná vodivost, jeden z nejnižších koeficientů tepelné roztažnosti; zanedbatelná elektrická vodivost

α-grafit diamant hustota (g/cm3) 2,266 3,514 tvrdost (podle Mohse) < 1 10 index lomu (při 546 nm) 2,15; 1,81 241 spalné teplo (kJ/mol) 393,51 395,41 1953 – 5: diamant připraven z α-grafitu při tlaku 10 Gpa a teplotě 1200 – 2800 K (kat.: roztavený Cr/Fe/Ni)

Výroba a použití grafit: - SiO2 + 2 C (koks) {SiC} Si(g) + C (grafit) (25 – 35 hodin) - přírodní: výroba oceli, žáruvzdorný materiál (kelímky), mazivo, tužky - umělý: elektrody, kelímky, moderátor neutronů (vysoká čistota!) - skelný: (příprava dlouhodobým vysokoteplotním rozkladem org. l. na povrchu normálního grafitu); odolnost, nízká pórovitost, vysoká hustota

diamant: - umělý, práškový přírodní: řezání, vrtání, leštění - přírodní: šperky (Cullinan I, Hvězda Afriky, 530 karátů (105 g) z krystalu vážícího přes 600 g); (Excelsior, 971 karátů (194 g))

koks: - vysokoteplotní karbonizace uhlí - ocelářství (redukční činidlo), palivo saze: - neúplné spalovaní kapalných uhlovodíků nebo přírodního plynu - zpevňování pryže (pneumatiky), pigment

aktivní uhlí: - povrch 300 – 2000 m2/g - uhlíkatý materiál (piliny, rašelina) smíchán s látkami oxidujícími a dehydratujícími substrát při teplotě 500 – 900 °C - čištění chemikálií, plynů a vody; katalyzátor

Reaktivita grafit reaktivnější než diamant díky přístupnější vrstevnaté struktuře (i když je termodynamicky stabilnější) - oxidace horkou konc. kys. dusičnou → C6(COOH)6 - suspenze chloristanu draselného ve směsi konc. kys. dusičné a sírové (1 : 2) → oxid grafitu (nestálý, světle citronový, proměnlivé složení) reakce s fluorem za vyšší teploty → fluoridy grafitu reakce se směsí HF a F2 → inertní modročerná l. redukční činidlo

Interkalátové sloučeniny grafitu látky se včlení mezi vrstvy; často reverzibilní první: C8K (přímá syntéza při 300 °C) elektorlýza roztavených kovů s grafitovými elektrodami, reakce grafitu s roztokem kovu v kapalném amoniaku, … C24M, C36M, C48M, C60M, … (M = K, Rb, Cs) menší elektrický odpor, paramagnetické (grafit diamagnetický), odpor roste s teplotou (kovy)

s alkalickými kovy – velmi reaktivní (reaktivita klesá ve skupině), s vodou mohou explodovat n C8K + MXn C8nM + n KX reakce grafitu s halogenidy – mohou přijímat elektronový pár (Lewisovy kyseliny) včlenění i oxidů, sulfidů, oxokyselin (→ soli grafitu)

Karbidy příprava: přímá syntéza nad 2000 °C; uhlík + oxid kovu (vyšší teplota); zahřátý kov + uhlovodík; acetylen + elektropozitivní kovy (v kapalném amoniaku) iontové, molekulární, intersticiální

methanidy – jednotlivé uhlíkové anionty; hydrolýzou vzniká methan - Be2C – cihlově červený, antifluoritová str. acetylidy = ethinidy – obsahují jednotky C2 - M2C2, MC2, LnC2, Ln2C3 (= Ln4(C2)3) - I.B – výbušné - M2C2 – prudká reakce s vodou; zahřátí na vzduchu → uhličitany - LnC2 – slučují se se vzdušným kyslíkem, hydrolýza na směs uhlovodíků; kovové vodiče

CaC2 - bezbarvá pevná látka (tt = 2300 °C), izolant, 4 krystalové modifikace - zdroj ethinu, sváření (kyslík-acetylen), hnojivo (CaCN2) - výroba: CaO + 3 C CaC2 + CO - příprava: Ca + 2 C2H2 H2 + CaC2.C2H2 CaC2 + C2H2

intersticiální: - netají, extrémně tvrdé (WC, TaC), žáruvzdorné (tt = 3000 - 4000 °C) - nereagují s vodou; zahřívání nad 1000 °C → změna stechiometrie, rozklad konc. kys. dusičnou nebo fluorovodíkem - MC: C v oktaedrických mezerách (kovy s r ≥ 135 pm) - složitější struktura u kovů s r < 135 pm (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, …), reaktivnější (hydrolýza se zředěnými kyselinami/vodou); Fe3C = cementit (složka oceli)

Halogenidy CF4 - stálý plyn, - příprava: SiC + F2 - průmysl: elektrolýza MF s uhlíkovou anodou - vazba C-F (515 kJ/mol) silnější než C-H (435 kJ/mol) → vzrůst tepelné stálosti a chemické odolnosti (CF4)n - teflon

CCl4 - příprava: CS2 + Cl2 - toxický, rozpouštědlo, k přípravě freonů CBr4 - světle žlutá pevná látka - méně stálý než chlorid a fluorid - příprava: bromace methanu CI4 - jasně červená krystalická látka - příprava: CCl4 + EtI (kat.: AlCl3)

Halogenid-oxidy reaktivní plyny, těkavé kapaliny; planární struktura i smíšené COI2 – není znám, ale COIF ano COF2 – podléhá hydrolýze; příprava z CO a AgF2 ; k přípravě org. fluorovaných sloučenin COCl2 = fosgen – (phos – světlo; genes – vznikat); toxický; k přípravě izokyanatanů

Oxidy C3O2 – suboxid uhlíku; páchnoucí plyn; lineární - vznik: dehydratace kyseliny malonové za sníženého tlaku nad P4O10 – (140 °C) - polymerizuje: žlutý (normální teplota), rubínově červený (nad 100 °C), fialový (400 °C)

C12O9 – bílý sublimující; anhydrid kys. mellitové CO, CO2 – pevná vazba C-O; chemicky reaktivní - vznik oxidací uhlíku - CO – palivo (vodní plyn, generátorový plyn) - CO2 – méně reaktivní; chladivo (desublimace při -78,5 °C), výroba nápojů, výroba močoviny, …

Sulfidy CS – nestálý radikál - vznik: vysokofrekvenční výboj na CS2 (g) C3S2 – červená kapalina, pomalá polymerizace - vznik: elektrický výboj v CS2 (g nebo l) CS2 – bezbarvá, těkavá, hořlavá kapalina, jedovatý, čistý voní - výroba: CH4 + 4 S CS2 + 2 H2S - výroba viskózového hedvábí, celofánu

Sloučeniny s vazbou C-N pseudohalogeny: CN, OCN, SCN, SeCN, … - tvorba aniontů X-, hydrogenkyselin HX (CN)2 = dikyan – bezbarvý, jedovatý, tepelně stálý plyn; nečistý nad 300 °C polymerizuje na parakyan (tmavá pevná látka) HCN – bezbarvá, lehce těkavá kapalina - výroba (dle Andrussowa): CH4 + NH3 + 1,5 O2 HCN + 3 H2O - výroba acetonitrilu, NaCN

XCN (halogenidy) – bezbarvé, těkavé, reaktivní CaNCN = kyanamid vápenatý - vznik: nitrogenace CaC2 (1000 °C) - hnojivo, herbicid HOCN = kys. kyanatá – rychlý rozklad - isokyanatá (HNCO) – trimerizace na kys. kyanurovou (SCN)2 = dithiokyan – bílé krystaly - při -7 °C polymeruje na parathiokyan (pevný, cihlově červený) (SeCN)2 – žlutý prášek, polymerizace na červenou pevnou látku

Skleníkový efekt Stoupání teploty na Zemi v důsledky zachycování tepelného záření molekulami oxidu uhličitého.

zdroje http://cs.wikipedia.org/wiki/ Greenwood N. N., Earnshaw A.: Chemie prvků I