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 už 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 troch základných modifikáciách a v posledných približne 20. rokoch bola laboratórne vytvorená štvrtá 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).
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.
Anorganické zlúčeniny V anorganických chemických zlúčeninách sa uhlík vyskytuje s oxidačným číslom +II, +IV a -I.
Z oxidov je dôležitý najmä oxid uhličitý CO2, ktorý sa zúčastňuje na vytváraní rastlinných tkanív v procese fotosyntézy a súčasne sa vracia do atmosféry pri dýchaní živých organizmov a spaľovaní fosílnych palív.
Vo vode sa CO2 rozpúšťa za vzniku veľmi slabej kyseliny uhličitej H2CO3. Najznámejšie sú predovšetkým soli tejto kyseliny - uhličitan vápenatý CaCO3 - vápenec, uhličitan horečnatý MgCO3 - magnezit a bikarbonát sodný NaHCO3 - sóda bikarbóna.
So sírou vytvára uhlík toxickú kvapalnú zlúčeninu nazývanú sírouhlík CS2'.
Oxid uhlíka s valenciou +2, oxid uhoľnatý CO je pomerne toxický plyn, ktorý blokuje krvné farbivo hemoglobín a znemožňuje tak transfer kyslíka v krvi. Jeho nebezpečenstvo spočíva najmä v tom, že je bezfarebný a bez zápachu a človek preto jeho prítomnosť v okolí nemôže zaregistrovať svojimi zmyslami. Je príčinou mnohých smrteľných otráv v uhoľných baniach alebo v domácnostiach, kde sa na vykurovanie používal svietiplyn a je 95% príčinou úmrtí pri požiaroch.
S dusíkom tvorí uhlík kyanidový ión CN- a kyanovodík HCN, ktorý tiež patrí k mimoriadne toxickým látkam. V tomto prípade však môžeme čuchom určiť jeho "vôňu" po mandliach.
S minerálnymi prvkami tvorí uhlík zlúčeniny nazývané karbidy. Najznámejší je karbid vápenatý CaC2, ktorý pri reakcii s vodou uvoľňuje acetylén a v minulosti sa používal v ručných, kočových, neskôr vlakových a dokonca aj automobilových lampách na svietenie, v tzv. karbidkách (dodnes ich využívajú jaskyniari po celom svete - ide o najjednoduchšiu detekciu oxidu uhličitého, karbidka jednoducho zhasne, lebo nemá na horenie kyslík). Pomerne známy je aj karbid kremičitý (SiC) alebo karborundum, ktorý má kryštalickú štruktúru podobnú diamantu a vyznačuje sa mimoriadnou tvrdosťou. Používa sa najmä v rezacích a vŕtacích nástrojoch (vrtáky do skla, kotúče na betón do uhlovej brúsky a i.).
Organické zlúčeniny
Organické zlúčeniny sú chemické látky, ktoré obsahujú väzbu C-C. Každý atóm uhlíka je schopný vytvárať celkom 4 tieto tzv. jednoduché väzby, okrem toho aj väzbu dvojitú C=C a väzbu trojitú. Môžu preto vznikať dlhé reťazce a molekuly s rozvetvenou alebo cyklickou štruktúrou. Spolu s uhlíkom sa v týchto molekulách viažu aj ďalšie, najmä biogénne, prvky - vodík, kyslík, dusík, síra a fosfor, ale môžu to byť aj halogény, kremík a mnoho ďalších. Vďaka tomu existuje veľa kombinácií; v súčasnosti poznáme viac ako 10 miliónov organických zlúčenín.
Práve vďaka tejto obrovskej rozmanitosti sa organické látky stali základným stavebným kameňom živej hmoty. Každá bunka živého organizmu obsahuje desiatky tisíc chemických zlúčenín, ktoré majú tú jedinú spoločnú vlastnosť, že ich základný skelet je vytvorený atómmi uhlíka v rôznych väzobných stavoch.Nasledujúci výpočet typov organických zlúčenín zďaleka nie je úplný a mal by iba informovať o najčastejšie používaných a vyrábaných typoch organických látok: Uhľovodíky sú zlúčeniny, ktoré vo svojej molekule obsahujú iba atómy uhlíka a vodíka. Je možné ich v zásade rozdeliť na: alifatické, ktorých molekuly majú tvar reťazca a alicyklické, ktorých molekuly majú tvar kruhu Obidve tieto skupiny potom podľa väzieb medzi atómami uhlíka delíme na: alkány s iba jednoduchou väzbou C-C alkény, obsahujúce minimálne jednu dvojitú väzbu C=C a alkíny, obsahujúce minimálne jednu trojitú väzbu CΞC aromatické, ktorých molekuly obsahujú aspoň jednu šesťčlennú kružnicu, tzv. benzénové jadro. Zlúčeniny, ktoré vo svojej molekule obsahujú C, H a O, možno zhruba rozdeliť do nasledujúcich skupín: alkoholy, obsahujúce skupinu C-OH fenoly a flavonidy, ktoré majú skupinu -OH pripojenú k aromatickému jadru étery, obsahujúce skupinu C-O-C peroxidy, obsahujúce skupinu C-O-O-C aldehydy, obsahujúce skupinu HC=O ketóny, obsahujúce skupinu C-CO-C karboxylové kyseliny, obsahujúce skupinu -COOH estery, obsahujúce skupinu R-C-OOR
Ďalšie typy organických zlúčenín, ktoré vo svojej molekule obsahujú aj dusík alebo síru, budú uvedené v článkoch o týchto prvkoch.
Výskyt a využitie Grafit vpravo|thumb|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.
Diamant thumb|vpravo|Neopracovaný diamantHlavný článok: Diamant
Diamant je jedným z najvzácnejších a najdrahších minerálov a drahokamov. Vyskytuje sa v rôznych farebných modifikáciách, od takmer priehľadnej, až po čiernu. Pretože k vzniku diamantu je potrebný obrovský tlak a vysoké teploty, nachádzajú sa predovšetkým tam, kde žeravá magma z veľkých hĺbok vystúpila na povrch a stuhla. Náleziská s najkvalitnejšími diamantmi ležia najmä v južnej Afrike – JAR, Namíbii, Sierra Leone, ďalej v Brazílii, Rusku, Kanade a Austrálii.
Diamanty sa v súčasnosti vyrábajú aj priemyselne, aj keď zďaleka nedosahujú kvalít prírodných diamantov. Tzv. priemyselné diamanty sa preto využívajú najmä pre rôzne vrtné a rezné hlavice nástrojov, ktoré pre svoju činnosť musia mať mimoriadnu tvrdosť a odolnosť.
Prírodné diamanty slúžia už odpradávna najmä na výrobu tých najdrahších šperkov. Aby sa mohol diamant vsadiť do zlatého alebo platinového šperku, musí byť najskôr zložito a opatrne vybrúsený. K úspešnému vybrúseniu drahého a vzácneho diamantu je potrebná nielen skúsenosť, ale aj zručnosť a trpezlivosť. Strediskami brúsenia diamantov a obchodu s nimi sú belgické Antverpy a holandský Rotterdam a Amsterdam.
Fosílne palivá Medzi základné fosílne palivá patria uhlie, ropa a zemný plyn. Všetky tieto palivá obsahujú ako väčšinovú zložku pestrú paletu organických zlúčenín, ktoré podľa súčasných teórií vznikli dlhodobým anaeróbnym (bez prístupu vzduchu) rozkladom organickej hmoty. V prípade uhlia sa zdá byť prekurzorom drevo druho a treťohorných pralesov, ktoré boli zasypané nejakou náhlou lokálnou katastrofou.
Ropa a zemný plyn pochádzajú zo živočíšnych tkanív, ktoré boli pri nejakej katastrofickej udalosti prekrytí vrstvou hornín a počas miliónov nasledujúcich rokov sa, za vzniku pestrej palety zlúčenín na báze uhľovodíkov, postupne rozložili.
Všetky vyššie uvedené komodity tvoria v súčasnosti chrbtovú kosť svetovej energetiky a prevažnej časti chemického priemyslu. Najmä ropa sa v posledných rokoch javí ako kľúčová surovina pre súčasnú civilizáciu. Je jednak základnou surovinou na výrobu palív pre stále zvyšujúcu sa dopravu, ale zároveň je zrejmé, že jej celosvetové zásoby môžu byť vyčerpané v nasledujúcich niekoľkých desaťročiach. Ovládnutie lokalít s ich výskytom sa v ďalších desaťročiach môže stať zdrojom globálneho konfliktu.
Ropa aj zemný plyn sa zvyčajne vyskytujú spoločne. V súčasnosti sa hlavným zdrojom týchto surovín stala oblasť Perzského zálivu a Sibíre, ale ich nezanedbateľné množstvo sa ťaží aj šelfových vodách Severného mora, v Mexickom zálive a v juhovýchodnej Ázii. Aj náleziská v Texase doteraz poskytujú pomerne silný zdroj, ktorý však rozhodne pre potreby ekonomiky USA nestačí.