Ugljik

Karbon
He 2s2 2p2 6C                                                                                                                                                                                                                                 ↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →                                                             Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Karbon, C, 6
Serija	Nemetali
Grupa, Perioda, Blok	14, 2, p
Izgled	crn (grafit) bezbojan (dijamant)
Zastupljenost	0,09 %
Atomske osobine
Atomska masa	12,0107  u
Atomski radijus (izračunat)	70 (67) pm
Kovalentni radijus	77 pm
Van der Waalsov radijus	170 pm
Elektronska konfiguracija	He 2s2 2p2
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 4
1. energija ionizacije	1086,5 kJ/mol
2. energija ionizacije	2352,6 kJ/mol
3. energija ionizacije	4620,5 kJ/mol
4. energija ionizacije	6222,2 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	0,5 (grafit) 10 (dijamant)
Struktura kristala	heksagonalna (grafit) kubično prostorno centrirana (dijamant)
Gustoća	2250 (grafit) 3510 (dijamant) kg/m3
Magnetizam	diamagnetičan
Tačka topljenja	3820 K (3550 °C)
Tačka ključanja	5100 K (4800 °C)
Molarni volumen	5,29 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja	715 (sublimacija) kJ/mol
Toplota topljenja	kJ/mol
Pritisak pare	1 Pa kod 2710 K
Brzina zvuka	18350 m/s
Specifična toplota	709 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	grafit: 3 · 106 S/m dijamant: 1 · 10-4 S/m
Toplotna provodljivost	grafit: 119–165 W/(m · K) dijamant: 900–1300 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje	2, 4
Oksidi	CO2; CO
Elektronegativnost	2,55 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 10C sin 19,255 s ε 3,648 10B 11C sin 20,39 min ε 1,982 11B 12C 98,9 % Stabilan 13C 1,1 % Stabilan 14C < 10-9 % 5730 god β- 0,156 14N 15C sin 2,449 s β- 9,772 15N 16C sin 0,747 s β- 8,012 16N
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Simbol nepoznat
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: nema oznaka upozorenja R S: nema oznake upozorenja S
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Karbon ili ugljik ili ugljenik (C, latinski carboneum) je nemetal, IVA grupe. Stabilni izotopi su mu: ¹²C i¹³C. Bitan nestabilan izotop je ¹⁴C (nastaje od ¹⁴N u gornjim slojevima atmosfere).

Alotropske modifikacije

Ovaj četvorovalentni nemetal ima nekoliko alotropskih modifikacija. Dijamant je najtvrđi poznati mineral, kod kojeg atomi ugljika prave sp³-hibridizaciju sa tetraedarskim prostornim rasporedom. Svaki atom ugljika u dijamantu je povezan s četiri druga ugljikova atoma sigma vezom, te je čitav kristal jedna velika molekula.

Alotropske modifikacije ugljika: grafit i dijamant

Grafit (jedna od najmekših supstanci) ima lisnatu strukturu. Svaki ugljikov atom je povezan s tri druga ugljikova atoma. To znači da je prisutna sp²-hibridizacija i tri hibrida leže u jednoj ravni. Preostali π-elektron pravi dvostruku vezu, te je prisutna rezonancija. Kod grafita je zbog toga svaka od tri veze nešto pojačana, pa je on stabilniji od dijamanta za energiju rezonancije. Razlike u fizikalnim osobinama ove dvije modifikacije su ekstremne. Dijamant je jedan od najtvrđih minerala, dok je grafit meka supstanca. Dijamant je najbolji provodnik toplote, dok je grafit izolator. Dijamant je izrazito transparentan, a grafit neproziran. Grafit je provodnik električne struje, dok je dijamant izolator.

Osim grafita i dijamanta poznate su još neke alotropske modifikacije, kao npr. fulereni.

Amorfni ugljik

Postoji više oblika elementarnog ugljika, pod zajedničkim nazivom amorfni ugljik. Rentgenskom analizom je utvrđeno da čestice amorfnog ugljika sadrže grafitnu strukturu, pa zbog toga amorfni ugljik nije posebna alotropska modifikacija. Glavne vrste amorfnog ugljika su: aktivni ugalj, mineralni ugalj, koks, čađ.

Zastupljenost

Karbon je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,087%. U prirodi ugljik dolazi pretežno u spojevima, ali i slobodan. Ugljik je sastavni dio živog svijeta, što proučava organska hemija. Također, se nalazi u atmosferi u obliku ugljik (IV) oksida, u stijenama kao karbonat kalcijuma ili magnezijuma.

Historija

René A. F. de Réaumur je 1772. pokazao da se željezo prevodi u čelik apsorpcijom suspstance, za koju se danas zna da je ugljik. Godine 1772, Antoine Lavoisier je dokazao da je dijamant forma ugljika, spaljivanjem uzorka ugljika i dijamanta, pri čemu je dokazao da ne nastaje voda kao produkt i da i jedan i drugi oslobađaju istu količinu ugljik dioksida po gramu. Carl Wilhelm Scheele je dokazao da je grafit, za koji se mislilo da je oblik olova, u stvari oblik ugljika. Godine 1786, francuski naučnici Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge i C. A. Vandermonde pokazali su da je ova supstanca ugljik. Oni su predložili ime karbon za ovaj element (latinski carbonum). Antoine Lavoisier uveo je karbon kao hemijski element u svojoj knjizi iz 1789 godine.

Spojevi

Najjednostavniji organski spoj: metan

Broj poznatih jedinjenja ugljika je preko 10 puta veći od poznatih jedinjenja svih ostalih elemenata. Ugljikovi atomi imaju sposobnost povezivanja u dugačke lance, a mali volumen atoma omogućava i stvaranje dvostrukih i trostrukih veza. Prilikom stvaranja višestrukih veza ugljiku preostaje i jedan slobodan elektron, koji može dalje reagovati, za razliku od takvih veza kod kisika i dušika. To znači da se otvaraju mogućnosti za dalje reakcije i formiranje spojeva. Zbog velikog broja takvih spojeva, oni su predmet proučavanja organske hemije.

Anorganski spojevi ugljika dolaze u oksidacijskim stanjima (-4), +2, +4. Najvažniji spojevi su karbidi, ugljik (IV) oksid CO₂, ugljik (II) oksid CO, ugljična kiselina H₂CO₃, ugljik disulfid CS₂, itd.