UHLÍK

1. UHLÍK Diana Hnátková2.A

2. Obsah • Obecně • Rozšíření • Elementární uhlík • Formy uhlíku • Grafit • Diamant • Amorfní uhlík • Uhlíková nanotrubice • Anorganické sloučeniny • Organické sloučeniny • Některé typy • Tabulka • Využití • Fosilní paliva • Jantar • Vápenec a magnezit • Oxid uhličitý • Skleníkový efekt • Oxid uhelnatý • Zajímavost

4. Chemická značka C, Carboneum • 6. prvek v periodické soustavě prvků • Elektronová konfigurace C: [He] 2s2 2p2 • Elektronegativita 2,5 • Oxidační čísla –IV. ; IV. a II. • Stabilní izotopy 12 a 13 • Skupenství pevné • Relativní atomová hmotnost 12,01115 amu (= atomová hmotnostní jednotka)

5. Rozšíření tvoří základní stavební kámen všech organických sloučenin vyskytuje se volný i ve sloučeninách krystalizuje jako diamant a grafit vázaný je obsažen v uhličitanech v ovzduší a ve vodách jako CO2 dále je vázaný v uhlí, ropě, zemnímplynu a všech organických látkách ve vesmíru připadá 1 atom uhlíku přibližně na 20 000 atomů vodíku

6. Elementárníuhlík Některé alotropní modifikace uhlíku: • diamant • grafit • Lonsdaleit • fulleren C60 • fulleren C540 • fulleren C70 • amorfní uhlík • jednostěnná uhlíkovánanotrubice

7. Grafit (tuha) • nejčastější přírodní modifikace uhlíku • struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků • na každý uhlík jsou kovalentně vázány další tři uhlíky • jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. Van der Waalsovy síly • této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek, kde mletá tuha tvoří základní složku tyčinky ur-čené pro psaní a kreslení • Grafit vede elektrický proud • Výroba skelného grafitu • Využívá se i v metalurgickém průmyslu • jedny z největších grafitových dolů se nalézají v USA, Indii, Mexiku a Rusku

8. Diamant • je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové • je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem • na každý uhlík jsou kovalentně vázány další čtyři uhlíky • Hmotnost diamantů se udává v karátech • diamanty se používají pro svou tvrdost a výbornou tepelnou vodivost (nikdy se nepřehřejí) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích • Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky

9. Amorfní uhlík • forma uhlíku bez pravidelné krystalové struktury • obsahuje atomy uhlíku jak s hybridizací sp2 (vázaný s třemi sousedními atomy), tak i sp3 (vázaný s čtymi sousedními atomy) v různém poměru • může obsahovat i nanokrystaly grafitu nebo diamantu v amorfní uhlíkové matrici • Pro praktické využití se připravuje např. jako tzv. aktivní uhlí=produkt vyráběný z uhlí, dřeva nebo kokosových ořechů; má pórovitou strukturou a velký vnitřní povrch (400-1500 m2/g)> může adsorbovat široké spektrum látek

10. Uhlíkové nanotrubice • jsou uměle vyrobené mikroskopické trubičky • složené z válcově svinuté vrstvy grafenu o průměru pouhých několika (1 - 100) nm • jejich využití se nabízí např. při výrobě velmi pevných a zároveň lehkých kompozi-tních materiálů a tkanin • v elektronice při výrobě mi-mořádně malých tranzistorů • ideální materiálu pro uchová-vání čistého vodíku pro palivové články a mnohé další

11. Anorganické sloučeniny V anorganických chemických sloučeninách se uhlík vyskytuje v mocenství +2, +4 a -1. • oxid uhličitý CO2 se podílí vytváření rostlinných tkání > fotosyntéza a současně se vrací do atmosféry pří dýchání živých organizmů a spalování fosilních paliv • Ve vodě se CO2 rozpouští za vzniku velmi slabé kyseliny uhličité H2CO3; soli této kyseliny - uhličitany (karbonáty) • uhličitan vápenatý CaCO3 – vápenec • uhličitan hořečnatý MgCO3 – magnezit • S + C = toxická kapalná sloučeninu - sirouhlík CS2 • oxid uhelnatý CO je značně toxický plyn, který blokuje krevní barvivo hemoglobin a znemožňuje tak dýchání • S dusíkem tvoří uhlík kyanidový ion CN- a kyanovodík HCNpatří také k mimořádně toxickým látkám • kovové prvky + C = karbidy; karbid vápenatý CaC2, který při reakci s vodou uvolňuje acetylen a byl dříve používán ke svícení v lampách, karbidkách.

12. Organické sloučeniny • chemické látky, obsahující alespoň 1 atom uhlíku a téměř vždy atom vodíku, většina má i spolu vázané atomy uhlíku vazbou C-C • každý atom uhlíku je schopen vytvářet celkem čtyři tyto tzv. jednoduché vazby • kromě toho i vazbu dvojnou C=C a vazbu trojnou C≡C • mohou proto vznikat dlouhé řetězce a molekuly s rozvětvenou nebo cyklickou strukturou • společně s uhlíkem se v těchto molekulách váží i další prvky ;ředevšímbiogenní prvky: vodík, kyslík, dusík, síra a fosfor, ale i halogeny, křemík atd. • existuje nesmírně mnoho kombinací • organické látky staly základním stavebním kamenem živé hmoty • každá buňka živého organismu obsahuje desetitisíce chemi-ckých sloučenin, které mají tu jedinou společnou vlastnost, že jejich základní skelet je tvořen atomy uhlíku v různých vazebných stavech

13. Některé typy organických sloučenin uhlíku • alifatické uhlovodíky, jejichž molekuly mají tvar řetězce a • alicyklické uhlovodíky, jejichž molekuly mají tvar kruhu • Obě tyto skupiny pak podle vazeb mezi atomy uhlíku dělíme na: • alkany, s pouze jednoduchou vazbou C-C • alkeny, obsahující minimálně jednu dvojnou vazbu C=C a • alkyny, obsahující minimálně jednu trojnou vazbu • aromatické uhlovodíky jejichž molekuly obsahují alespoň jeden šestičlenný kruh, benzenové jádro. • Sloučeniny, které ve své molekule obsahují C, H a O, lze zhruba rozdělit do následujících skupin: • alkoholy obsahující skupinu C-OH • fenoly které skupinu -OH mají připojenu k aromatickému jádru • ethery obsahující skupinu C-O-C • organické peroxidy, obsahující skupinu C-O-O-C • aldehydy, obsahující skupinu HC=O • ketony, obsahující skupinu C-CO-C • karboxylové kyseliny obsahující skupinu -COOH • estery, obsahující skupinu R-C-OOR

15. Využití Fosilní paliva • uhlí, ropa a zemní plyn, tato paliva obsahují jako převažující složku pestrou škálu organických sloučenin • tvoří v současné době páteř světové energetiky a převážné části chemického průmyslu • ropa je základním zdrojem energie pro stále rostoucí dopravní infrastrukturu a zároveň je zřejmé, že její celosvětové zásoby mohou být brzy vyčerpány • Ropa i zemní plyn se vyskytují obvykle společně • Světové zásoby uhlí jsou výrazně větší než ropy a zemního plynu, ten se využívá spíše jako zdroj pro výrobu elektrické energie • Kromě energetického využití nachází uhlí uplatnění v metalurgii, kde po přepracování na koks slouží jako redukční médium při výrobě železa a podobných kovů ve vysoké peci

16. Jantar • je zvláštní forma uhlíkatého minerálu • jedná se o mineralizované zbytky třetihorních pryskyřic staré až 50 milionů let • v Evropě jako zkamenělá pryskyřice borovic • ve Střední Americe a Mexiku, kde jde o klovatinu tropické dřeviny kopálu = tvrdá pryskyřice

17. Vápenec a magnezit • Čistý uhličitan vápenatý CaCO3= nerost kalcit • vápence jsou biogenního původu, protože převážně vznikly z vápenatých schránek druhohorních mořských živočichů • naleziště v Čechách, v Itálii, Anglii i USA • mají různou barvu od čistě bílé až po téměř černou • mechanické vlastnosti > výroba běžných stavebních surovin = pálené vápno, cement ( popř. dekorace - mramor) • Vápenec je základem krasových jevů, při kterých dochází systémem složitých rovnováh mezi uhličitany a hydrogenuhličitany vápníku ke vzniku nádherných přírodních úkazů především v jeskyních • Uhličitan hořečnatý MgCO3= magnezit • surovina pro výrobu žáruvzdorných materiálů • ložiska - na Slovensku, v Rakousku, Číně a Korei

18. MAGNEZIT VÁPENEC

19. Oxid uhličitý • CO2 je bezbarvý plyn, bez zápachu, rozpustný ve vodě • tvoří přibližně 0,038% objemu zemské atmosféry - dýcháním živých org. a rostoucím tempem spalováním fosilních paliv • Z atmosféry odčerpávají CO2 rostliny fotosyntézou, za pomoci chlorofylu • 6 H2O + 6 CO2 + foton → C6H12O6 (glukóza) + 6 O2 • Zvyšující se koncentrace CO2 je s spojena s jevem zvaným skleníkový efekt, protože jeho molekuly pohlcují infračervené záření a zabraňují tak jeho vyzařování do kosmického prostoru > dochází k zahřívání povrchu planety • V průmyslu má CO2 uplatnění například jako inertní atmosféra při procesech, kde je nutno vyloučit přítomnost kyslíku • oxid uhličitý nehoří > náplň některých typů hasicích přístrojů • Oxid uhličitý je obsažen v řadě nápojů; buď přirozenou složkou (alkoholové kvašení piva, šumivého vína, burčáku; minerální vody) nebo jsou jím syceny uměle pro zlepšení chuti (limonády atd.) • Stlačením CO2 vzniká pevná látka, suchý led, která snadno sublimuje, • přičemž odebírá množství tepla z okolí > • k chlazení např. v potravinářství

21. Oxid uhelnatý • vysoce toxický, vznětlivý až výbušný, bezbarvý plyn, bez zápachu, který vzniká především oxidací organických sloučenin uhlíku • jako součást svítiplynu, kde vzniká tlakovým a tepelným rozkladem uhlí • vzniká vždy v malém množství při spalování benzínu a ropy ve spalovacích motorech • jisté množství CO je i v cigaretovém kouři jako zbytek nedokonalého spalování tabáku • přírodní zdroje oxidu uhelnatého - např. zemní plyn • spolu s metanem způsobuje jejich mimořádnou výbušnost • reakcí vodní páry s uhlíkem za vysokých teplot (příprava vodního plynu): • C + H2O → CO + H2 • spalováním uhlíku s malým množstvím kyslíku: • 2C + O2 → 2CO

22. Izotopy uhlíku a radiokarbonová metoda datování V přírodě se uhlík vyskytuje běžně ve formě dvou stabilních izotopů: 12C, který tvoří 98,9% a13Cs průměrným výskytem 1,1%. Reakcí atomů dusíku 14N, přítomných v atmosféře s kosmickým zářením vzniká nestabilní izotop 14C, který se rozpadá s poločasem 5 715 let. Poměr všech 3 izotopů uhlíku se udržuje na konstantní hodnotě. Živé organizmy neustále korespondují s atmosférickým CO2 ať již formou fotosyntézy (rostliny) nebo příjmem jejich produktů – býložravci a následně predátoři. Lze proto tvrdit, že poměr 14C/12C zůstává v průběhu života daného organizmu konstantní. Po odumření jakékoliv biologické tkáně se výměna uhlíku mezi organizmem a prostředím zastaví. Radiokarbonová metoda datování využívá zmíněného jevu tím způsobem, že v archeologickém či jiném nálezu pozůstatku živé hmoty (zbytky tkání, kosti), je analyzován poměr 14C/12C. Zjištěný poměr pak poměrně přesně ukazuje na dobu zániku dané živé hmoty.

23. http://kohout.gasos-ro.cz http://cs.wikipedia.org http://www.chemieseite.de http://stary.biom.cz