Uhlík
Uhlík (lat. Carboneum) je chemický prvek v Periodické tabulce prvků, jeho značka je C, má 4 vazby a jeho protonové číslo je 6. Uhlík tvoří základní stavební kámen všech organických sloučenin a tím i všech živých organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové ekonomiky, fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy (benzin, nafta, těžké oleje) jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty nebo léčiva.
Formy uhlíku
Elementární uhlík
Uhlík je typický nekovový prvek, který se jako minerál v elementárním stavu vyskytuje v přírodě ve dvou základních modifikacích a v posledních přibližně 20. letech byla laboratorně vytvořena třetí modifikace:
Grafit je tvořen uhlíkem, který krystalizuje v šestiúhelníkových šupinkách a patří mezi nejměkčí známé minerály. Tato vlastnost se využívá např. při výrobě tužek, ve kterých mletá směs grafitu a vápence tvoří základní složku tyčinky určené ke psaní nebo kreslení.
Diamant je tvořen uhlíkem, který krystalizuje v kostkové soustavě, je velmi cenným minerálem a patří mezi nejtvrdší materiály. Váha diamantů se udává v karátech, největším dosud nalezeným diamantem byl Cullinan, který v syrovém stavu při nalezení v JAR měl hmotnost 3 106 karátů (621,2 g).[1]
Fullereny jsou nově objevené sférické molekuly, složené z pěti nebo častěji z šestičlenných kružnic atomů uhlíku. V prostoru jsou tyto molekuly uspořádány do kulovitého tvaru a jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fulleren je molekula obsahující 60 uhlíkových atomů. Fullereny se uměle připravují pyrolýzou organických sloučenin laserem. Za objev a studium vlastností fullerenů byla v roce 1996 udělena Nobelova cena za chemii Robertu F. Curlovi, Richardu E. Smalleyovi a Haroldovi W. Krotoovi. V současnosti je výzkum vlastností a metod přípravy fullerenů velmi intenzivně zkoumán v mnoha špičkových vědeckých institucích po celém světě.
Grafen je podobný grafitu s tím rozdílem, že jde nejtenčí a nejtvrdší materiál na světě. Objevili ho Andre Geim a jeho kolega Konstantin Novoselov v roce 2004. Elektrony grafenu jakoby porušovaly fyziku. Pohybují se téměř rychlostí světla, aniž by do sebe narážely. Toho lze využít v tranzistorech, pamětech nebo mikroprocesorech.
Výskyt a využití
Grafit
Grafit
Grafit je minerál, který se nachází na mnoha místech na Zemi. Jedny z největších grafitových dolů se nacházejí v USA (Texas a stát New York), Mexiku, Indii a Rusku. Grafit je například. i složkou sazí, které vznikají spalováním fosilních paliv. Je však v částečkách tak malých, že saze má spíše vlastnosti amorfního uhlíku.
Grafit se průmyslově využívá zejména k výrobě tužek. Přitom se nejprve společně s vápencem velmi jemně rozemele a poté vylisuje do vhodného tvaru. V čisté formě, bez vápence, se lisuje do uhlíků pro malíře a grafiky.
Další významné použití grafitu je v metalurgickém průmyslu. Vzhledem k jeho velmi dobré tepelné odolnosti se z něj vyrábějí nádoby, tzv. kokily, do kterých se lijí roztavené kovy a jejich slitiny. Zabrání se tak kontaminaci roztavených kovů kovem, ze kterého by se kokila musela vyrobit. Z grafitu se vyrábějí také elektrody pro elektrolytickou výrobu hliníku z taveniny bauxitu a kryolitu nebo při výrobě křemíku z taveniny oxidu křemičitého.
Skelný grafit[
Uměle vyrobenou formou grafitu je tzn. sklový uhlík (angl. glassy carbon), který se vyznačuje vysokou hustotou, nízkou pórovitostí a velmi dobrou chemickou a mechanickou odolností. V praxi se vyrábí přesně řízeným dlouhodobým vysokoteplotním (pyrolitickým) rozkladem organických látek na povrchu normálního grafitu.
Díky mimořádným fyzikálním a chemickým vlastnostem sklového grafitu se jeho praktické využití, i přes jeho vysokou cenu, stále rozšiřuje.
Pro elektrochemii je důležitý fakt, že povrchy elektrod ze sklového grafitu jsou chemicky vysoce odolné a lze na nich dosáhnout vysokého kladného potenciálu, aniž by docházelo k jejich rozpouštění jako u normálních kovových elektrod. Toho lze využít jak v analytické chemii při zkoumání elektrochemických vlastností organických molekul, tak i pro preparativní oxidaci při výrobě některých sloučenin.
Analytická metoda GFAAS (atomová absorpční spektrometrie s bezplamennou atomizací) používá k odpaření analyzovaného vzorku kyvetu, která se během několika sekund zahřívá až na teplotu kolem 3°000°C. Pokrytí vnitřní plochy této kyvety sklovým grafitem dramaticky zvyšuje její odolnost a v porovnání s klasickou grafitovou kyvetou prodlouží její použitelnost.
V metalurgii se k čištění kovů, metodou zonálního tavení, používají trubice pokryté sklovým grafitem, ve kterých celý proces probíhá.
Laboratorní pomůcky s povrchem ze sklového grafitu dosahují stejné nebo dokonce lepší chemické odolnosti, než pomůcky z platiny či z její slitiny s rhodiem.
Jantar
jantarové přívěsky se zalitými fosiliemi
Zvláštní formu uhlíkatého minerálu představuje jantar - mineralizované zbytky třetihorní pryskyřice staré kolem 50 milionů let. Průměrné chemické složení jantaru bylo určeno jako C10H16O. Základní barva jantaru je zlatožlutá, ale můžeme nalézt i odrůdy zcela průhledné, červené, kávové i bílé.
Nachází se v Evropě jako zkamenělá pryskyřice borovic a ve Střední Americe a Mexiku, kde jde o pryskyřici tropické dřeviny kopálu.
Význam jantaru je zejména ve výrobě šperků a ozdobných předmětů. Asi nejvýznamnějším projektem v tomto oboru byla pověstná Jantarová komnata, místnost obložená nádhernými umělecky zpracovanými jantarovými bloky v Petrohradském carském paláci. Během 2. světové války německá okupační vojska Jantarovou komnatu rozebrali a odvezli na neznámé místo. Dodnes se po této kulturní památce bezvýsledně pátrá.
Další význam jantaru je paleontologický. Ve hmotě jantarových nálezů jsou velmi často perfektně zachována těla třetihorního hmyzu, pyl tehdejších rostlin a další artefakty.
Zajímavé je, že se dodnes nepodařilo jantar vyrobit uměle i přesto, že je dobře známo jeho chemické složení, i předpokládaný postup vzniku.