Ugljik

ugljik
[He] 2s22p2 6 C Periodni sustav elemenata
Osnovna svojstva
Element Simbol Atomski broj	ugljik C 6
Kemijska skupina	nemetali
Grupa, perioda, Blok	14, 2, p
Izgled	bezbojna krutina (dijamant) crna krutina (grafit) crna krutina (čađ) fuleren
Gustoća1	2267 kg/m3
Tvrdoća	1 do 2 (grafit) 10,0 (dijamant) (Mohsova skala)
Specifični toplinski kapacitet (cp ili cV)2	(25 °C) (grafit) 8,517 J mol–1 K–1
Talište	pri standardnom tlaku nema °C
Vrelište3	sublimira pri 3642 °C
Toplina taljenja	117 kJ mol-1
Toplina isparavanja	715 kJ mol-1
1 pri standardnom tlaku i temperaturi 2 pri konstantnom tlaku ili volumenu 3 pri standardnom tlaku
Atomska svojstva
Atomska masa	12,0107(8)
Elektronska konfiguracija	[He] 2s22p2

Ugljik je kemijski element atomskog (rednog) broja 6 i atomske mase 12,0107(8). U periodnom sustavu elemenata predstavlja ga simbol C.

Od ukupne količine ugljika na Zemlji, 99,8% je vezano u mineralima, uglavnom karbonatima, što i nije čudno ako znamo da su cijeli gorski lanci građeni od vapnenca i dolomita. Samo 0,01% ugljika vezano je u živim bićima. Velike su količine ugljika koncentrirane u nalazištima fosilnih goriva (nafta, ugljen, zemni plin). U atmosferi se pojavljuje kao ugljikov(IV) oksid, CO2, volumnog udjela 0,033%. Nalazimo ga i u morskoj vodi u obliku hidrogenkarbonata ili otopljenog ugljikova(IV) oksida. Ima ga i u Svemiru, gdje sudjeluje u termonuklearnim reakcijama na tzv. „vrućim zvijezdama“. Ugljik, poslije vodika, tvori više spojeva nego svi ostali kemijski elementi zajedno. Razlog tome je što se ugljikovi atomi u spojevima mogu međusobno povezivati jednostrukim, dvostrukim i trostrukim kovalentnim vezama na različite načine u dugačke lance i prstenove. To su uglavnom organski spojevi koji se zbog svoje brojnosti obrađuju u posebnom dijelu kemije – organskoj kemiji.
U prirodi se ugljik pojavljuje kao elementarna tvar i u obliku svojih spojeva.

Ugljik nema talište, jer grafit sublimira, dok je dijamantu talište na 3500°C.
Vrelište grafita je na 3642 °C, dok dijamantu nije poznato.
Gustoća grafita pri 25°C je 2,26, a dijamanta 3,51 g/cm³.
Koeficijent negativnosti mu je 2,5.

• dijamant (najtvrđi poznati mineral). Vezivna struktura: 4 elektrona u sp3-orbitalama. Dijamant je proziran, vrlo tvrd (i vrlo skup!) mineral. Ne provodi električnu struju. Ugljikovi atomi u dijamantu povezani su s četiri susjedna ugljikova atoma u dijamantnu rešetku.

• grafit Vezivna struktura: 3 elektrona u sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali. Grafit je mekana, sivocrna, lomljiva tvar, masna opipa. Grafit provodi električnu struju. Kristali grafita sastoje se od slojeva, a u svakom sloju atomi su poredani kao šesteročlani prstenovi.

• fuleren Zatvorene strukture, napravljene od peteročlanih i šesteročlanih, a ponekad i sedmeročlanih prstenova. Najpoznatiji i najstabilniji fuleren je bakminsterfuleren, C₆₀, čija struktura podsjeća na nogometnu loptu. Fulereni su ime dobili po poznatom američkom arhitektu Buckminsteru Fulleru (1895. – 1983.).

• karbin Lanci ugljikovih atoma povezanih σ vezama koje se ostvaruju preklapanjem sp hibridnih orbitala i π vezama, koje se ostvaruju preklapanjem p orbitala.

Ugljik se pojavljuje i u više drugih oblika poznatih kao amorfni ugljik (aktivni ugljen, ugljen, koks, čađa). Svi oblici amorfnog ugljika nisu čisti ugljik i sastoje se od sitnih čestica grafitne strukture.

Grafit se upotrebljava za proizvodnju olovaka, u strojarstvu kao mazivo za ležajeve i ključanice, u nuklearnoj industriji za izgradnju nuklearnih reaktora itd. Ljepši primjerci dijamanta upotrebljavaju se za izradu skupocjenog nakita, a oni manje lijepi za izradu alata za rezanje, bušenje, brušenje i poliranje.

Ugljik tvori vrlo stabilne ugljik-ugljik veze, kao i veze s mnogim drugim elementima što uzrokuje enormni broj ugljikovih spojeva. Kemiju ugljikovih spojeva, osim karbida, karbonata, cijanida, ugljikovih oksida i sulfida proučava organska kemija.

Tetrafluorougljik je stabilna tvar koja se dobiva kao krajnji produkt fluoriranja organskih spojeva. U laboratoriju se pripravlja fluoriranjem silicijevog karbida.

Tetraklorougljik je bezbojna tekućina pri sobnoj temperaturi i atmosferskim tlakom. Često se koristi kao otapalo.

Tetrabromougljik je tamno žuta krutina na sobnoj temperaturi. Netopljiv je u vodi i drugim polarnim otapalima.

Tetrajodougljik je svjetlocrvena krutina mirisa sličnog jodu. Pripravlja se reakcijom etil-jodida i tetraklorougljika uz aluminijev tri klorid.

Unatoč tome što ugljik tvori golemi broj različitih spojeva, pri sobnoj je temperaturi slabo kemijski reaktivan. S kisikom tvori dvije vrste spojeva: ugljikov(II) oksid (monoksid) i ugljikov(IV) oksid (ugljikov dioksid).

Ugljikov monoksid (CO) nastaje pri izgaranju ugljikovih spojeva uz ograničeni dotok kisika. Industrijski se proizvodi kao generatorski plin, izgaranjem koksa u generatoru, ili kao vodeni plin, u smjesi s vodikom, reakcijom generatorskog plina s vodenom parom. Ugljikov monoksid je vrlo toksičan jer se veže s hemoglobinom na sličan način kao i kisik, ali mnogo snažnije i stalnije.

Ugljikov dioksid (CO₂) je bezbojni plin, bez mirisa. Dobiva se izgaranjem ugljika ili ugljikovih spojeva, ili reakcijom kiselina s karbonatima. Ugljikov dioksid je inertni plin i često se koristi kao inertna atmosfera u slučajevima gdje prisutnost kisika može biti štetna.

Ugljikov suboksid (C₃O₂) je plin neugodnog mirisa, koji se formira dehidriranjem malonske kiseline fosforovim 5 oksidom u vakuumu pri 140 do 150 ºC. Ugljikov suboksid ima linearnu molekulu: O=C=C=C=O. Stabilan je na temperaturi vrelišta dušika: –78 ºC, a na 25ºC polimerizira.

Anhidrid melne kiseline(C₁₂O₉)

Ugljik formira i druge, nestabilne okside: C₂O, C₂O₃, CO₃.

Podrobniji članak o temi: Karbidi

Karbidi 1., 2., 12. grupe, te aluminija su ionski karbidi. Struktura ovih karbida sadrži izolirane ugljikove atome (Be₂C, Al₄C₃), acetilidne ione (C₂^2-) (CaC₂, MgC₂, BeC₂, BaC₂, ZnC₂, Na₂C₂, K₂C₂), ili C₃^4- anion. Hidrolizom ovih karbida dobiva se metan, acetilen ili alen, ovisno od kojeg iona je karbid sastavljen.

Karbidi prijelaznih metala: Rani prijelazni metali (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W) tvore karbide s metalnim karakterom. Ovi metali, u svojoj strukturi, imaju međuprostore koji odgovaraju veličini ugljikovog atoma. Ugljik u međuprostorima čini ovakve karbide izuzetno stabilnima, vrlo visokih tališta i kemijski inertnim materijalima. Karbidi 7. 8. 9. i 10. skupine su nestabilniji od karbida ranih prijelaznih metala, otapaju se u vodi ili kiselinama. Karbidi lantanida i aktinida imaju formulu i strukturu sličnu acetilidima, ali hidrolizom s vodom daju metan.

Kovalentni karbidi su karbidi nemetala. Odlikuju se velikom tvrdoćom i često se koriste kao abrazivna sredstva.