Uhlík
Uhlík je jeden z mála prvků, které lidstvo zná už od pravěku. Je totiž nedílnou součástí naprosté většiny paliv jako například uhlí, ropy, zemního plynu nebo dřeva. Stejně tak ho najdeš ve všech živých organismech na Zemi. V přírodě se nachází jak ve formě čistého prvku, tak v nejrůznějších sloučeninách.
Jako čistý prvek existuje uhlík v několika různých modifikacích. Ted' už můžeš chytře říct, že je jako prvek alotropický. Nejvýznamnějšími přírodními modifikacemi jsou diamant, grafit a amorfní forma uhlíku známá jako uhlí. V laboratoři se podařilo připravit ještě grafen a fullereny.
Grafit důvěrně znáš jako tuhu obyčejných tužek. To, že ho můžeš použít k psaní, je způsobené tím, že jednotlivé vrstvy jsou spojené jen slabými Van der Waalsovými interakcemi, které se přeruší, když na tužku trošku zatlačíš. Dojde k odlupování jednotlivých vrstev, které ulpí na papíre a po tužce zůstane tím pádem napsaná čára. Grafit je vodič, vede elektrický proud, z čehož plyne jeho další použití - slouží jako elektroda při elektrolýze.
Tyto vlastnosti grafitu vycházejí z prostorového uspořádání uhlíku. Na obrázku můžeš vidět typickou vrstevnatou strukturu. Když se podíváš blíže, můžeš vidět, že každý z atomů uhlíku je vázán k okolním třem sousedům ležícím v jedné rovině poměrně pevnou kovalentní vazbou. Kolmo na tuto rovinu jsou však orientovány zbývající valenční elektrony v \mathrm{p}_{\mathrm{z}} orbitalech. Spojením těchto \mathrm{p}_{\mathrm{z}} orbitalů vzniká nad i pod rovinou vrstvy velmi rozlehlý \boldsymbol{\pi} systém delokalizovaných elektronů. Právě v tomto \pi systému se mohou elektrony volně pohybovat, což je příčinou jeho elektrické vodivosti. Navíc nám tato struktura podává vysvětlení, proč je grafit černošedého zabarvení a je neprůsvitný.
Diamant je jeden z nejtvrdších materiálů na světě, v Mohsově stupnici má nejvyšší hodnotu 10. Taky má velmi dobrou tepelnou vodivost. Struktura diamantu ukazuje, že jsou na rozdíl od grafitu všechny atomy vázány okolními čtyřmi sousedy. Valenční elektrony jsou tak plně spotřebovány na tvorbu kovalentních vazeb a v jeho struktuře se žádné delokalizované elektrony nevyskytují - je elektrický izolant.
Uhlí nebo saze je amorfní forma uhlíku, což znamená, že nemá pravidelnou krystalickou strukturu. Použití takového uhlíku ať už jako paliva, nebo ve formě živočišného uhlí při zažívacích potížích se jenom nabízí a určitě je znáš.
Grafen je v podstatě jediná vrstva grafitu. Není černý, ale průhledný. Má výbornou tepelnou vodivost a stejně jako grafit vede také elektrický proud. Taky jde o jeden z nejpevnějších materiálů na světě. Díky těmto vlastnostem je vhodným kandidátem pro výrobu displejů, které jen tak neprasknou.
První objevený fulleren obsahoval 60 atomů uhlíků a vypadal jako kopačák. Dnes už víme, že jsou i další fullereny, například se 70 uhlíky. Prozatím mají hlavně využití ve vědeckém světě, kde se zkoumají jejich vlastnosti, třeba supravodivost.
Jak uhlík využiju?
Víš, proč jsou pneumatiky černé? Nebo proč si můžeš ušpinit ruce, když šáhneš na čerstvě vytištění text z tiskárny? Nebo ti chutnají lékořicové pendreky? Všechny tyto věci běžně obsahují uhelné saze, které mají dokonce i své potravinářské označení E153.
Podobné sazím je i živočišné uhlí, které se získává z kokosových skořápek a dalších organických materiálů. Jde o materiál, který má velmi dobré absorpční schopnosti, protože má mnohonásobně větší povrch než objem, a tak se na částečky aktivního uhlí může navázat spousta látek. Toho se využívá nejen při střevních potížích, ale i v různých filtrech, čističkách vod nebo v digestoři.
Moderními uhlíkovými materiály s obrovským potenciálem pro budoucnost jsou mimo grafen a fullereny uhlíkové nanotrubičky. Protože jsou tyto látky odvozené od grafitu, který je elektricky vodivý, nabízí se jejich aplikace například v elektronice, kde můžou pomoct mimo jiné další minimalizaci přístrojů. Dokonce by mohly být tou správnou cestou k nanorobotům. Zkrátka tyto materiály jednoho dne nejspíš změní náš svět.
Nebylo už toho dost?
Už teď je jasné, že uhlíku se v běžném životě jednoduše nezbavíš. A to tě čeká ještě část se sloučeninami uhlíku, které je také nezbytné uvést. Uhlík je jedním z prvků, které tvoří nejvíce sloučenin. Velké většině těchto sloučenin se věnuje chemie organická a spadá do ní v současnosti okolo 13 milionů různých sloučenin. Teď se ale dozvíš jen o těch nejzákladnějších, které řadíme do chemie anorganické.
Oxid uhelnatý \mathrm{CO}
Jde o bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Je lehčí než vzduch, ve vodě se rozpouští jen málo (při 20^{\circ} \mathrm{C} se ve 100 \mathrm{ml} rozpustí jen 2,32 ml) a podporuje hoření, takže může sloužit jako hořlavé palivo. Váže se na hemoglobin v červených krvinkách až dvěstěkrát silněji než kyslík a kvůli tomu je jedovatý. Vzniká při nedokonalém spalování organických látek (například methanu v zemním plynu), kdy se uhlík oxiduje do +II.
2 \mathrm{CH}_{4}+3 \mathrm{O}_{2} \longrightarrow 2 \mathrm{CO}+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
Dříve se spolu s dalšími plyny pod názvem svítiplyn používal ke svícení a vytápění, ale dnes už ho nahradil bezpečnější zemní plyn. Oxid uhelnatý je ale nepostradatelnou chemikálií, konkrétně redukčním činidlem, při výrobě některých kovů jako třeba železo nebo nikl. Mimo jiné je také výstupní surovinou pro syntézu methanolu \mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH}, či kyseliny octové \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH}.
Oxid uhličitý \mathrm{CO}_{2}
Stejně jako oxid uhelnatý je i oxid uhličitý bez barvy, chuti a výrazného zápachu. Je těžší než vzduch, ve vodě se rozpouští dobře (při 20^{\circ} \mathrm{C} se ve 100 \mathrm{ml} rozpustí 87,8 \mathrm{ml}) a oheň umí výborně uhasit, takže ho najdeš například ve sněhových hasicích přístrojích. Oxid uhličitý je méně nebezpečný než oxid uhelnatý CO, ale dýchat se zrovna nedá. Ještě před tím, než se pustíš do rovnic, kterými by sis ho mohl připravit, tak je dobré si uvědomit, že oxid uhličitý vyrábíš ve svém těle při dýchání, a který vydechuješ ze svých plic. Je tedy takovým odpadem, který ze sebe každou minutu několikrát vydechneš.
Vzniká při dokonalém hoření a tady se uhlík oxiduje až do +IV.
\mathrm{CH}_4+2\mathrm{O}_2\longrightarrow{}\mathrm{CO}{}_2+2\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Vzniká tepelným rozkladem uhličitanu vápenatého. Vzpomeň si na rovnici vzniku páleného vápna.
\mathrm{CaCO}_3\longrightarrow{}{\mathrm{Ca}O}+\mathrm{CO}_2
V laborce se oxid uhličitý dá připravit třeba působením kyseliny chlorovodíkové na uhličitan sodný. Při této reakci krom \mathrm{CO}_{2} vzniká ještě chlorid sodný a voda.
\mathrm{Na}_2\mathrm{CO}_3+2\mathrm{HCl}\longrightarrow{}{CO}_2+2\mathrm{NaCl}+\mathrm{H}_2\mathrm{O}
Nejčastěji ho potkáš v sycených nápojích. V některých je úplně přirozeně (minerálky, pivo), do jiných se přidává uměle. V nápojích má hned několik funkcí. Dodává jim chuť a zároveň brání množení různých mikroorganismů, takže jde v podstatě o takovou přirozenou desinfekci.
Kyselina uhličitá \mathrm{H}_{2} \mathrm{CO}_{3}
Rozpuštěním oxidu uhličitého ve vodě vzniká slabě kyselý roztok kyseliny uhličité.
Kyselina uhličitá ale v čistém stavu není stálá, takže se hned rozkládá zpátky na oxid uhličitý a vodu. Tato reakce probíhá, když otevřeš natlakovanou sodovku, která pění. To se z ní právě uvolňuje oxid uhličitý.
\mathrm{H}_2\mathrm{CO}_3\longleftrightarrow{}{H}_2\mathrm{O}+\mathrm{CO}_2
Tato kyselina tvoří dvě řady solí - uhličitany \mathrm{CO}_{3}^{2-} a hydrogenuhličitany \mathrm{HCO}_{3}^{-}. V přírodě ji najdeš v různých minerálech ve formě solí, třeba vápence \mathrm{CaCO}_{3} nebo sideritu \mathrm{FeCO}_{3}. Z kuchyně nebo koupelny zase znáš jedlou sodu \mathrm{NaHCO}_{3} a prací sodu \mathrm{Na}_{2} \mathrm{CO}_{3}.
Další významné sloučeniny
Velmi důležitými sloučeninami uhlíku jsou mechanicky velmi tvrdé karbidy \mathbf{C}^{4-}. Karbid wolframu s velmi sympatickým vzorcem WC, nebo karbid křemíku \mathrm{SiC} se zase používají do různých řezacích, vrtacích nebo obráběcích zařízení.
Za zmínku stojí také kyanidy \mathrm{CN}^{-}. To jsou soli kyanovodíku \mathrm{HCN}. Tyto látky jsou prudkými jedy, které v podstatě přeruší dýchání otráveného a ten se pak udusí. Kyanid draselný s kyanovodíkem byly dokonce použity během druhé světové války v koncentračních táborech pod názvem Cyklon B.