Uhlk Znaka C Latinsky carboneum Anglicky carbon historie

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 CO 2 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 – 12 C standard pro určení atomové hmotnosti

Izotopy a výskyt • 12 C • 13 C • (nejběžneji 1, 11 %) - spinové kvantové číslo jádra ½ → NMR 14 C (radioaktivní, t 1/2 = 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 k. Pa • 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

hustota (g/cm 3) tvrdost (podle Mohse) index lomu (při 546 nm) spalné teplo (k. J/mol) α-grafit diamant 2, 266 3, 514 <1 10 2, 15; 1, 81 241 393, 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: - Si. O 2 + 2 C (koks) {Si. C} 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 m 2/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 → C 6(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 F 2 → inertní modročerná l. • redukční činidlo

Interkalátové sloučeniny grafitu • látky se včlení mezi vrstvy; často reverzibilní • první: C 8 K (přímá syntéza při 300 °C) • elektorlýza roztavených kovů s grafitovými elektrodami, reakce grafitu s roztokem kovu v kapalném amoniaku, … • C 24 M, C 36 M, C 48 M, C 60 M, … (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 C 8 K + MXn C 8 n. M + 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 - Be 2 C – cihlově červený, antifluoritová str. • acetylidy = ethinidy – obsahují jednotky C 2 - M 2 C 2, MC 2, Ln 2 C 3 (= Ln 4(C 2)3) - I. B – výbušné - M 2 C 2 – prudká reakce s vodou; zahřátí na vzduchu → uhličitany - Ln. C 2 – slučují se se vzdušným kyslíkem, hydrolýza na směs uhlovodíků; kovové vodiče

• Ca. C 2 - bezbarvá pevná látka (tt = 2300 °C), izolant, 4 krystalové modifikace - zdroj ethinu, sváření (kyslík-acetylen), hnojivo (Ca. CN 2) - výroba: Ca. O + 3 C Ca. C 2 + CO - příprava: Ca + 2 C 2 H 2 + Ca. C 2 H 2 Ca. C 2 + C 2 H 2

• intersticiální: - netají, extrémně tvrdé (WC, Ta. C), 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); Fe 3 C = cementit (složka oceli)

Halogenidy • CF 4 - stálý plyn, - příprava: Si. C + F 2 - průmysl: elektrolýza MF s uhlíkovou anodou - vazba C-F (515 k. J/mol) silnější než C-H (435 k. J/mol) → vzrůst tepelné stálosti a chemické odolnosti • (CF 4)n - teflon

• CCl 4 - příprava: CS 2 + Cl 2 - toxický, rozpouštědlo, k přípravě freonů • CBr 4 - světle žlutá pevná látka - méně stálý než chlorid a fluorid - příprava: bromace methanu • CI 4 - jasně červená krystalická látka - příprava: CCl 4 + Et. I (kat. : Al. Cl 3)

Halogenid-oxidy • reaktivní plyny, těkavé kapaliny; planární struktura • i smíšené • COI 2 – není znám, ale COIF ano • COF 2 – podléhá hydrolýze; příprava z CO a Ag. F 2 ; k přípravě org. fluorovaných sloučenin • COCl 2 = fosgen – (phos – světlo; genes – vznikat); toxický; k přípravě izokyanatanů

Oxidy • C 3 O 2 – suboxid uhlíku; páchnoucí plyn; lineární - vznik: dehydratace kyseliny malonové za sníženého tlaku nad P 4 O 10 – (140 °C) - polymerizuje: žlutý (normální teplota), rubínově červený (nad 100 °C), fialový (400 °C)

• C 12 O 9 – bílý sublimující; anhydrid kys. mellitové • CO, CO 2 – pevná vazba C-O; chemicky reaktivní - vznik oxidací uhlíku - CO – palivo (vodní plyn, generátorový plyn) - CO 2 – méně reaktivní; chladivo (desublimace při -78, 5 °C), výroba nápojů, výroba močoviny, …

Sulfidy • CS – nestálý radikál - vznik: vysokofrekvenční výboj na CS 2 (g) • C 3 S 2 – červená kapalina, pomalá polymerizace - vznik: elektrický výboj v CS 2 (g nebo l) • CS 2 – bezbarvá, těkavá, hořlavá kapalina, jedovatý, čistý voní - výroba: CH 4 + 4 S CS 2 + 2 H 2 S - výroba viskózového hedvábí, celofánu

Sloučeniny s vazbou C-N • pseudohalogeny: CN, OCN, Se. CN, … - 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): CH 4 + NH 3 + 1, 5 O 2 HCN + 3 H 2 O - výroba acetonitrilu, Na. CN

• XCN (halogenidy) – bezbarvé, těkavé, reaktivní • Ca. NCN = kyanamid vápenatý - vznik: nitrogenace Ca. C 2 (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) • (Se. CN)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