Ugljik

Ugljik,  ₆C

Ugljik u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Ugljik, C, 6
Serija	Nemetali
Grupa, Perioda, Blok	14, 2, p
Izgled	crn (grafit) bezbojan (dijamant)
Zastupljenost	0,087 %
Atomske osobine
Atomska masa	12,011 (12,0096 – 12,0116) 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
Izlazni rad	4,81 eV
1. energija ionizacije	1086,2 kJ/mol
2. energija ionizacije	2352 kJ/mol
3. energija ionizacije	4620 kJ/mol
4. energija ionizacije	6222 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	0,5 (grafit) 10 (dijamant)
Kristalna struktura	heksagonalna (grafit) kubična prostorno centrirana (dijamant)
Gustoća	2260 (grafit) 3510 (dijamant) kg/m3
Magnetizam	dijamagnetičan (D: $\chi _{m}$ = −2,2 · 10−5; G: $\chi _{m}$ do −4,5 · 10−4)
Tačka topljenja	- K (sublimira °C)
Tačka ključanja	3915 K (3642 °C)
Molarni volumen	5,31 · 10-6 (grafit) 3,42 · 10-6 (dijamant) m3/mol
Toplota isparavanja	715 (sublimacija) kJ/mol
Toplota topljenja	kJ/mol
Pritisak pare	1 Pa pri 2710 K
Brzina zvuka	18350 (dijamant) m/s
Specifična toplota	709 (grafit) 427 (dijamant) 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
Oksidacioni broj	2, 4
Oksid	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
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Ugljik ili karbon (od latinski: carboneum) jeste hemijski element sa simbolom C i atomskim brojem 6. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u IV glavnoj grupi, nazvanoj po njemu, i u 2. periodi. Spada u nemetale.

U prirodi se javlja u samorodnoj formi u obliku dijamanta i grafita, a mnogo više u obliku brojnih hemijskih spojeva (karbonata, ugljik-dioksida, prirodne nafte i plina, uglja i drugih). Zbog svoje posebne elektronske konfiguracije (polupopunjena L-ljuska), posjeduje mogućnost stvaranja izuzetno kompleksnih molekula, i među svim hemijskim elementima pokazuje najveću raznolikost u stvaranju brojnih hemijskih spojeva. Spojevi ugljika čine molekularnu osnovu za cjelokupni živi svijet na Zemlji.

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 ugljik kao hemijski element u svojoj knjizi iz 1789. godine.

Osobine

Fazni dijagram ugljika

Pri normalnom pritisku i temperaturama ispod 4000 K grafit je termodinamički stabilnija modifikacija ugljika, što se vidi na faznom dijagramu. Zbog visoke energije aktiviranja i dijamant je stabilan na sobnoj temperaturi, a tek na temperaturi iznad 500 °C uočljivo se pretvara u grafit. Obrnuta transformacija iz grafita u dijamant je moguća uz pritisak od najmanje 20.000 bara (2 GPa). Za dovoljno brzu reakciju, temperatura bi trebala biti iznad 1500 °C a pritisak oko 60.000 bara što odgovara faznom dijagramu.

Ugljik ima najveću otpornost na visoke temperature od svih poznatih materijala. Ne topi se pri normalnom pritisku, nego sublimira pri temperaturi od 3915 K (3642 °C), bez prethodnog gubljenja čvrstoće. Trojna tačka ugljika je na 10,8 ± 0,2 MPa i 4600 ± 300 K.

Ugljik je dijamagnetičan. Pirolitički izdvojen grafit ima visoku anizotropiju u magnetskom susceptibilitetu (paralelno: $\chi _{m}$ = −85 · 10⁻⁶, vodoravno: $\chi _{m}$ = −450 · 10⁻⁶),, nasuprot njemu dijamant je izotropan ($\chi _{m}$ = −22 · 10⁻⁶).

Alotropske modifikacije

Glavni članci: Dijamant i Grafit

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 rezonanca. Kod grafita je zbog toga svaka od tri veze nešto pojačana, pa je on stabilniji od dijamanta za energiju rezonance. Razlike u fizikalnim osobinama ove dvije modifikacije su ekstremne. Dijamant je jedan od najtvrđih minerala, dok je grafit mehka 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.

Lonsdaleit, nazvan također i heksagonalni dijamant, jeste jedna veoma rijetka modifikacija dijamanta. Ime je dobio po irskoj kristalografinji Kathleen Lonsdale, a pronađen je u Barringerovom krateru u Arizoni. On nastaje kada se grafit izloži određenim ekstremnim uslovima, tj. veoma visokom pritisku i temperaturi koji se dešavaju naprimjer pri udaru meteora ili asteroida. Pri tome se zadržava heksagonalni karakter kristalne strukture grafita, ali za razliku od običnog grafita svaki atom ugljika se veže kovalentnom vezom sa još četiri atoma.

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.

Pentagrafen

Istraživači na Univerzitetu Virginia Commonwealth i univerzitetima u Japanu i Kini sačinili su u augustu 2014. novu strukturnu varijantu ugljika nazvanu pentagrafen. On se sastoji iz veoma tankih slojeva čistog ugljika koji ima jedinstvenu strukturu, inspiriranu pentagonalnom shemom koja podsjeća na popločane ulicu u Kairu. Ovaj novootkriveni materijal je dinamički, termalno i mehanički stabilan. Istraživanja su pokazala da kada se pentagrafen umota u obliku valjka, takve nanocijevi posjeduju poluprovodničke osobine, bez obzira na njihovu hiralnost. Očekuje se da će ovaj materijal naći široku primjenu u nanoelektronici i nanomehanici.

Izotopi

Ciklus ¹⁴C

Ugljik ima dva stabilna izotopa: ¹²C i¹³C. Izotop ¹²C je daleko uobičajeniji u prirodi i čini 98,9 % prirodnog ugljika, dok na izotop ¹³C otpada 1,1%. Po definiciji izotop ¹²C je osnova za jedinicu atomske mase. Izotop ¹³C se može detektirati u NMR spektroskopskim ispitivanjima, jer ima drugačiji magnetski momenat od ¹²C.

Osim ova dva stabilna izotopa postoji još nekoliko nestabilnih. Najpoznatiji nestabilni izotop ugljika je ¹⁴C koji ima vrijeme poluraspada od 5730 godina. On nastaje prirodnim raspadanjem ¹⁴N u gornjim slojevima atmosfere.

Organski materijal, koji učestvuje u ugljikovom ciklusu u prirodi, ima isti udio ¹⁴C u odnosu na stabilne izotope kao i ugljik u atmosferi. Nakon završetka razmjene materija, naprimjer pri opadanju lišća sa drveta, ovaj odnos se postepeno smanjuje zbog radioaktivnog raspada. Mjerenjem odnosa količina izotopa ¹⁴C i stabilnih izotopa moguće je tačno procijeniti starost predmeta koji je nastao od organskog materijala, što je poznato kao metoda datiranja ugljikom C-14 a našla je primjenu u arheologiji.

Rasprostranjenost

Ciklus ugljika u prirodi:
Crni brojevi pokazuju koliko je ugljika uskladišteno u različitim ležištima, u milijardama tona ("GtC" znači gigatone ugljika, oko 2004.).
Ljubičasti brojevi pokazuju koliko se ugljika svake godine kreće između ležišta.
Sedimenti, kako su definirani na ovom dijagramu, ne uključuju ≈70 miliona GtC karbonatnih stijena i kerogena.

Ugljik je esencijalni element u biosferi, te po masenom udjelu drugi najrasprostranjeniji element nakon kisika u živim organizmima. Sva živa tkiva su sastavljena iz organskih spojeva ugljika. Međutim, geološki gledano on se ne ubraja u najrasprostranjenije elemente. Ugljik je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,087%. On se nalazi u neživoj prirodi pretežno u obliku spojeva, ali i slobodan u obliku dijamanta i grafita. Glavna nalazišta dijamanata nalaze se u Africi (Južnoafrička Republika i Kongo) i Rusiji. Oni se često mogu naći u vulkanskim stijenama poput kimberlita. Grafit se javlja relativno rijetko u metamorfnim stijenama bogatim ugljikom. Najznačajnija nalazišta su u Indiji i Kini.

Ugljik se u prirodi najčešće može naći u obliku neorganskih karbonatnih stijena (oko 2,8 · 10¹⁶ t). Karbonatne stijene su veoma rasprostranjene na Zemlji i ponegdje formiraju i cijele planine. Jedna od najpoznatijih primjera planina sastavljenih iz ovih stijena su Dolomiti u Italiji. Najvažniji karbonatni minerali su kalcij-karbonat CaCO₃ (sa brojnim modifikacijama: krečnjak, kreda, mramor), kalcij magnezij-karbonat CaCO₃ · MgCO₃ (dolomit), željezo(II)-karbonat FeCO₃ i cink-karbonat ZnCO₃.

Poznati spojevi ugljika su fosilna goriva ugalj, nafta i zemni plin. Oni nisu čisti ugljikovi spojevi, nego mješavine mnogih različitih organskih spojeva. Oni nastaju pretvaranjem biljnih (ugalj) i životinjskih (nafta i plin) ostataka pod velikim pritiskom. Najveća nalazišta uglja nalaze se u SAD, Kini i Rusiji, a u Bosni i Hercegovini veća nalazišta uglja se nalaze u okolini Banovića, Zenice, Kaknja, Sanskog Mosta, Breze, Živinica, Doboja (Stanari), Ugljevika, Gacka i drugih mjesta. Najvažnije rezerve nafte se nalaze na Arapskom poluostrvu (Irak, Saudijska Arabija, Kuvajt), Meksičkom zalivu i Sjevernom moru. Nešto manje poznata su nalazišta čvrstog metan hidrata u velikim dubinama.

Ugljik se nalazi u atmosferi u obliku ugljik-dioksida (ugljik(IV) oksida). On je sastavni dio zraka. U zraku ima prosječni udio od oko 0,04%. Ugljik-dioksid nastaje pri sagorijevanju spojeva koji sadrže ugljik, prilikom disanja svih živih bića, vulkanskom aktivnošću i putem fotosinteze biljaka. Čak i u morskoj vodi rastvoreno je oko 0,01% CO₂ (po masenom udjelu).

U pogledu količine najveći dio ugljika nalazi se u sastavu stijena (litosfera). Svi ostali oblici ugljika čine samo oko 0,1% ukupne količine ugljika na Zemlji.

Stvaranje jezgra atoma ugljika zahtijeva gotovo simultani trostruki sudar alfa čestica (jezgara helija) unutar središta ogromne zvijezde giganta ili supergiganta, u procesu poznatim pod nazivom trostruki alfa proces, kao proizvod daljnjih reakcija nuklearne fuzije helija sa vodonikom ili drugom jezgrom helija stvara se izotop litija Li-5 i berilija Be-8, respektivno, a oba su vrlo nestabilni i gotovo odmah se raspadaju nazad u manja jezgra. Ovo se dešava u uslovima temperature iznad 100 megakelvina i koncentracije helija koja se brzo širi i hladi što nije bilo slučaj u ranom svemiru, tako da ne postoje dokazi da su se značajne količine ugljika kreirale tokom Velikog praska. Umjesto toga, u unutrašnjosti zvijezda u horizontalnoj ravni H-R dijagrama transformiraju se tri jezgra atoma helija u ugljik pomoću ovog trostrukog alfa procesa. Da bi ugljik bio dostupan za formiranje života kakvog danas znamo, ovaj ugljik mora biti raširen u svemir kao prašina nakon eksplozije supernova, kao dio materijala od kojeg se kasnije formira druga i treća generacija zvjezdanih sistema koje imaju prisutne planete formirane od takve prašine. Sunčev sistem je jedan zvjezdani sistem treće generacije. Drugi mehanizam fuzije kojeg pogone zvijezde je CNO ciklus, u kojem ugljik djeluje kao katalizator omogućavajući odvijanje reakcije.

Rotacijska tranzicija različitih izotopskih oblika ugljik-monoksida (naprimjer ¹²CO, ¹³CO i C¹⁸O) se može otkriti u submilimetarskom rasponu talasnih dužina i koristi se u proučavanju formiranja novih zvijezda u molekularnim oblacima.

Spojevi

Najjednostavniji organski spoj: metan

Ugljik je element koji poslije vodika može graditi najveći broj poznatih spojeva među svim elementima (vodik je na prvom mjestu, jer većina spojeva ugljika također sadrži i vodik). Posebnost ugljika je da može praviti duge lance i prstenove molekula sa samim sobom kao i s drugim elementima, a u molekulama može se spajati i dvostrukom i trostrukom vezom koristeći π-orbitale. Prilikom stvaranja višestrukih veza ugljiku preostaje i jedan slobodan elektron, koji može dalje reagirati, za razliku od takvih veza kod kisika i dušika. To znači da se otvaraju mogućnosti za dalje reakcije i formiranje spojeva. Zbog svoje srednje snažne elektronegativnosti ima izuzetno dobre mogućnosti spajanja bilo sa elektropozitivnim kao i sa elektronegativnim elementima. U prirodnim organskim i neorganskim spojevima nalazi se u oksidacijskim stanjima u cijelom rasponu od -IV do +IV.

Spojevi ugljika se tradicionalno ubrajaju u organsku hemiju, uz samo nekoliko izuzetaka. Ova grana hemije ponekad se naziva i hemija ugljika. Organska hemija obuhvata, zbog posebnih sposobnosti ugljika, da gradi duge molekulske lance i kovalentne veze sa drugim atomima, više spojeva nego cijela neorganska hemija. I biohemija je također dio organske ugljikove hemije. Među najjednostavnije organske spojeve ubrajaju se alkani metan i etan.

Samo relativno malehni broj spojeva ugljika se tradicionalno ubraja u neorganske spojeve, među njima količinski najvažniji spojevi sa kisikom:

• karbidi; spojevi ugljika tipa E_xC_y, u kojima je ugljik elektronegativniji dio molekule. Mnogi metali mogu graditi karbide, a koji su djelimično izuzetno tvrdi i pogodni za izradu alata za rezanje (naprimjer volfram-karbid)
• ugljik(II)-oksid (CO, ugljik-monoksid), vrlo otrovni plin, koji djeluje kao jako redukciono sredstvo i igra značajnu ulogu u industrijskom topljenju metala (naprimjer željeza)
• ugljik-dioksid (CO₂, ugljik(IV)-oksid) je staklenički plin koji se otpušta u velikim količinama sagorijevanjem fosilnih goriva (uglja, nafte i zemnog plina). Otpuštaju ga i većina živih bića u procesu disanja, a za biljke je neophodan za proces fotosinteze. Ugljik-dioksid čini oko 0,038% Zemljine atmosfere, a procjenjuje se da je prije industrijske ere njegova koncentracija u atmosferi iznosila oko 0,028%.
• ugljična kiselina (H₂CO₃) je metastabilni proizvod sastavljen od vode i u vodi otopljenog CO₂; srednje jaka kiselina, ali se zbog neprestanog prelaska između ugljične kiseline i otopljenog CO₂, najčešće se obuhvata zajedno sa ugljik-dioksidom.
• Suboksidi kao što su triugljik dioksid (C₃O₂), tetraugljik-dioksid (C₄O₂), pentaugljik-dioksid (C₅O₂) i anhidrid oksalne kiseline (C₄O₆).
• Hidrogenkarbonat ili bikarbonat E⁺ HCO₃⁻, čiji je najpoznatiji predstavnik natrij hidrogen karbonat, šire poznat i pod trgovačkim nazivom soda bikarbona.
• Karbonati E²⁺ CO₃²⁻ su dvovalentne soli ugljične kiseline. Dva najpoznatija karbonata su natrij karbonat (sa trivijalnim imenom soda), važna sirovina za proizvodnju stakla i kalcij-karbonat koji se može izdvojiti iz školjki, oklopa puževa i slično, a gradi i kamene korale. Tokom Zemljine geneze kalcij karbonat koji se taložio i drugim procesima sakupljao od školjki i sličnih životinja te danas su od njega građene cijele planine. Kalcij karbonat je važan građevinski materijal.
• Spojevi ugljika i sumpora, među kojima je najpoznatiji spoj ugljik-disulfid (CS₂), koji je vrlo otrovna tekućina.
• Spojevi ugljika i dušika, poput cijanida, čiji je najpoznatiji predstavnik kalij-cijanid, vrlo snažni otrov koji blokira disanje čovjeka. Mnogi drugi cijanidi su također otrovni za čovjeka.

Vanjski linkovi

• Ugljik na Chemieseite.de
• Hibridizacija ugljika