Uhlík
Uhlík (lat. Carboneum) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, jeho značka je C, má 4 väzby a jeho protónové číslo je 6. Uhlík tvorí základný stavebný kameň všetkých organických zlúčenín a tým aj všetkých živých organizmov. Zlúčeniny uhlíka sú jedným zo základov svetovej ekonomiky, fosílne palivá ako zemný plyn a uhlie slúžia ako energetický zdroj na výrobu elektriny a vykurovanie, produkty spracovania ropy (benzín, nafta, ťažké oleje) sú nevyhnutné pre pohon spaľovacích motorov. Výrobky chemického priemyslu na báze uhlíka sú súčasťou každodenného života či ide o plastické hmoty, umelé vlákna, náterové hmoty alebo liečivá.
Formy uhlíka
Elementárny uhlík
Uhlík je typický nekovový prvok, ktorý sa ako minerál v elementárnom stave vyskytuje v prírode v dvoch základných modifikáciách a v posledných približne 20. rokoch bola laboratórne vytvorená tretia modifikácia:
Grafit je tvorený uhlíkom, ktorý kryštalizuje v šesťuholníkových šupinkách a patrí medzi najmäkšie známe minerály. Táto vlastnosť sa využíva napr. pri výrobe ceruziek, v ktorých mletá zmes grafitu a vápenca tvorí základnú zložku tyčinky určenej na písanie alebo kreslenie.
Diamant je tvorený uhlíkom, ktorý kryštalizuje v kockovej sústave, je veľmi cenným minerálom a patrí medzi najtvrdšie materiály. Váha diamantov sa udáva v karátoch, najväčším dosiaľ nájdeným diamantom bol Cullinan, ktorý v surovom stave pri nájdení v JAR mal hmotnosť 3 106 karátov (621,2 g).[1]
Fullerény sú novoobjavené sférické molekuly, zložené z päť alebo častejšie z šesťčlenných kružníc atómov uhlíka. V priestore sú tieto molekuly usporiadané do guľovitého tvaru a sú mimoriadne odolné voči vonkajším fyzikálnym vplyvom. Zatiaľ najstabilnejší známy fullerén je molekula obsahujúca 60 uhlíkových atómov. Fullerény sa umelo pripravujú pyrolýzou organických zlúčenín laserom. Za objav a štúdium vlastností fullerénov bola v roku 1996 udelená Nobelova cena za chémiu Robertovi F. Curlovi, Richardovi E. Smalleyovi a Haroldovi W. Krotoovi. V súčasnosti je výskum vlastností a metód prípravy fullerénov veľmi intenzívne skúmaný v mnohých špičkových vedeckých inštitúciách po celom svete.
Grafén je podobný grafitu s tým rozdielom, že ide najtenší a najtvrdší materiál na svete. Objavili ho Andre Geim a jeho kolega Konstantin Novoselov v roku 2004. Elektróny grafénu akoby porušovali fyziku. Pohybujú sa takmer rýchlosťou svetla bez toho, aby do seba narážali. To sa dá využiť v tranzistoroch, pamätiach alebo mikroprocesoroch.
Výskyt a využitie
Grafit
Grafit je minerál, ktorý sa nachádza na mnohých miestach na Zemi. Jedny z najväčších grafitových baní sa nachádzajú v USA (Texas a štát New York), Mexiku, Indii a Rusku. Grafit je napr. aj zložkou sadzí, ktoré vznikajú spaľovaním fosílnych palív. Je však v čiastočkách tak malých, že sadza má skôr vlastnosti amorfného uhlíka.
Grafit sa priemyselne využíva najmä na výrobu ceruziek. Pritom sa najskôr spoločne s vápencom veľmi jemne pomelie a potom vylisuje do vhodného tvaru. V čistej forme, bez vápenca, sa lisuje do uhlíkov pre maliarov a grafikov.
Ďalšie významné použitie grafitu je v metalurgickom priemysle. Vzhľadom na jeho veľmi dobrú tepelnú odolnosť sa z neho vyrábajú nádoby, tzv. kokily, do ktorých sa lejú roztavené kovy a ich zliatiny. Zabráni sa tak kontaminácii roztavených kovov kovom, z ktorého by sa kokila musela vyrobiť. Z grafitu sa vyrábajú aj elektródy pre elektrolytickú výrobu hliníka z taveniny bauxitu a kryolitu alebo pri výrobe kremíka z taveniny oxidu kremičitého.
Sklový grafit[
Umelo vyrobenou formou grafitu je tzv. sklový uhlík (angl. glassy carbon), ktorý sa vyznačuje vysokou hustotou, nízkou pórovitosťou a veľmi dobrou chemickou a mechanickou odolnosťou. V praxi sa vyrába presne riadeným dlhodobým vysokoteplotným (pyrolitickým) rozkladom organických látok na povrchu normálneho grafitu.
Vďaka mimoriadnym fyzikálnym a chemickým vlastnostiam sklového grafitu sa jeho praktické využitie, aj napriek jeho vysokej cene, stále rozširuje.
- Pre elektrochémiu je dôležitý fakt, že povrchy elektród zo sklového grafitu sú chemicky vysoko odolné a je možné na nich dosiahnuť vysoký kladný potenciál bez toho, aby dochádzalo k ich rozpúšťaniu ako pri normálnych kovových elektródach. To sa dá využiť ako v analytickej chémii pri skúmaní elektrochemických vlastností organických molekúl, tak aj pre preparatívnu oxidáciu pri výrobe niektorých zlúčenín.
- Analytická metóda GFAAS (atómová absorpčná spektrometria s bezplamennou atomizáciou) používa na odparenie analyzovanej vzorky kyvetu, ktorá sa počas niekoľkých sekúnd zahrieva až na teplotu okolo 3 000 °C. Pokrytie vnútornej plochy tejto kyvety sklovým grafitom dramaticky zvyšuje jej odolnosť a v porovnaní s klasickou grafitovou kyvetou predĺži jej použiteľnosť.
- V metalurgii sa na čistenie kovov, metódou zonálneho tavenia, používajú trubice pokryté sklovým grafitom, v ktorých celý proces prebieha.
- Laboratórne pomôcky s povrchom zo sklového grafitu dosahujú rovnakú alebo dokonca lepšiu chemickú odolnosť, než pomôcky z platiny, či z jej zliatiny s ródiom.
Jantár
Zvláštnu formu uhlíkatého minerálu predstavuje jantár - mineralizované zvyšky treťohornej živice staré okolo 50 miliónov rokov. Priemerné chemické zloženie jantáru bolo určené ako C10H16O. Základná farba jantáru je zlatožltá, ale môžeme nájsť aj odrody celkom priehľadné, červené, kávové aj biele.
Nachádza sa v Európe ako skamenená živica borovíc a v Strednej Amerike a Mexiku, kde ide o živicu tropickej dreviny kopálu.
Význam jantáru je najmä vo výrobe šperkov a ozdobných predmetov. Asi najvýznamnejším projektom v tomto obore bola povestná Jantárová komnata, miestnosť obložená nádhernými umelecky spracovanými jantárovými blokmi v Petrohradskom cárskom paláci. V priebehu 2. svetovej vojny nemecké okupačné vojská Jantárovú komnatu rozobrali a odviezli na neznáme miesto. Dodnes sa po tejto kultúrnej pamiatke bezvýsledne pátra.
Ďalší význam jantáru je paleontologický. V hmote jantárových nálezov sú veľmi často perfektne zachované telá treťohorného hmyzu, peľ vtedajších rastlín a ďalšie artefakty.
Zaujímavé je, že sa dodnes nepodarilo jantár vyrobiť umelo aj napriek tomu, že je dobre známe jeho chemické zloženie, aj predpokladaný postup vzniku.