Početna za: UGLJIK, C  

SPOJEVI, DOBIVANJE I UPORABA

Dobivanje ugljika:

Eksploatacija ugljika (i ugljikovodika) za široku upotrebu obično ne zahtijeva kemijsku obradu, nego samo vađenje iz nalazišta (kopanje ugljena, grafita ili dijamanata, vađenje nafte i zemnog plina kroz bušotine). Međutim, iako se veći dio potreba za čistim ugljikom (grafitom i osobito dijamantima) danas podmiruje iz prirodnih izvora, razvijeni su postupci za njihovu proizvodnju.

Umjetni dijamanti se za industrijske potrebe proizvode iz grafita. Postoje dvije glavne metode sintetiziranja umjetnog dijamanta: žarenjem grafita pri visokoj temperaturi (2500°C) uz katalizator (npr. krom i mangan) pod vrlo visokim tlakom (1010 Pa) te kemijskim taloženjem iz parovitog stanja, također uz prisutnost katalizatora, pri čemu se dobiva ultračist dijamant procesom kristalnog rasta. Zadnjih godina sličnim se postupcima dobivaju tanki dijamantni filmovi na odabranim podlogama.

Najveće količine grafita dobivaju se umjetnim putem, tzv. Achesonovim postupkom. Smjesa petrolkoksa (ili granuliranog visokovrijednog kamenog ugljena antracita), katrana i kvarcnog pijeska (SiO2) induktivno se zagrijava izmjeničnom strujom. Tijekom reakcije, najprije se SiO2 pomoću ugljika iz katrana reducira u silicij:

SiO2(S) + 2C(s) -> Si(s) + 2CO(g)

Nastali silicij s ugljikom stvara karbid (SiC) koji se pri visokim temperaturama razlaže na silicij i grafit. S oslobođenim silicijem ugljik opet stvara karbid pa se proces ponavlja dok sav ugljik ne prijeđe u grafit. Proces traje prosječno pet dana.


Svojstva i upotreba ugljika:

Ugljik je tvar bez mirisa i okusa i kemijski prilično stabilna. Tek kod razmjerno visokih temperatura reagira s drugim elementima, npr. s vodikom se spaja tek u električnom luku. U elementarnom stanju ugljik se javlja u više alotropskih modifikacija: kao amorfni ugljik, dijamant i grafit, a utvrđeno je i postojanje četvrte modifikacije ugljika, tzv. "bijeli" ugljik u kojoj se nalaze kuglaste molekule ugljika C60 (fulereni).

U prirodi postoje dva stabilna izotopa ugljika 12C (98,89%) i 13C (1,11%), pet prirodnih radioaktivnih i nekoliko umjetno dobivenih, također radioaktivnih. U prirodi postoji slabo radioaktivan izotop 14C s vremenom polu raspada t1/2 = 5730 g. u vrlo malim koncentracijama (oko 10-8 ppm), ali je vrlo važan jer se pomoću sadržaja tog izotopa u fosilnim ostacima određuje starost tih nalazišta (radioaktivno datiranje pomoću izotopa 14C).

Međunarodna udruga za čistu i primijenjenu kemiju (IUPAC) usvojila je masu izotopa 12C kao alternativnu jedinice mase - unificirana jedinica mase u = 1,6605420 x 10^-27 kg, odnosno 1 g = 1/12 (mol 12C), koja se primjenjuje u kemiji, atomskoj i nuklearnoj fizici.

Prirodni amorfni ugljik (razne vrste ugljena, nastale procesima pougljavanja organskih materijala) obično sadrži i primjese drugih elemenata u različitim količinama (sumpor, vodik, fosfor, uranij itd.). Iz raznih izvora (kao što su nafta i ugljen) dobiva se koks koji se u velikim količinama upotrebljava u metalurgiji kao redukcijsko sredstvo za oksidne rude i kao gorivo. Proizvodi se i čađa koja nastaje nepotpunim izgaranjem ugljena ili ugljikovih spojeva, a upotrebljava se za proizvodnju crnog tuša i boja te kao punilo za kaučuk.

Posebna vrsta amorfnog ugljika je aktivan ugljen. To je prah velike specifične površine s velikom moći adsorpcije (laganog vezanja) raznih atoma, iona i molekula na površinu praha pa se upotrebljava za uklanjanje neželjenih mirisa, adsorpciju plinova, itd.

Dijamant je metastabilna alotropska modifikacija ugljika koja je pri sobnoj temperaturi u ravnoteži s grafitnom modifikacijom tek pri tlaku od 1,5 GPa (15000 atm), a transformacija u stabilniji grafit izuzetno je spora pri toj temperaturi. U strukturi dijamanta svaki atom ugljika tetraedarski povezan kovalentnom vezom sa četiri druga. Ovakvim rasporedom atoma ugljika dobiva se beskonačna prostorna rešetka pa je svaki kristal zapravo golema kovalentna molekula. Zahvaljujući takvoj strukturi dijamant je izvanredno tvrd (najtvrđa poznata prirodna tvar) i ima izuzetno visoko talište (3600°C). Upotrebljava se kao abraziv za brušenje najtvrđih materijala, za rezanje stakla, za izradu alata za bušenje i rezanje tvrdog kamena, za izradu osovinskih ležajeva preciznih instrumenata, ekstruzijskih elemenata za izvlačenje tankih žica tvrdih materijala i sl. Za dobivanje ultravisokog tlaka do oko 5 Mbara izrađene su dijamantske 'glave', a takvi visokotlačni članci koriste se za ispitivanje materijala pod uvjetima enormnog tlaka. Pored tvrdoće velika je prednost i prozirnost dijamanta tako da se pojave u ispitivanoj tvari mogu optički istraživati. Kako su u strukturi svi elektroni ugljikovih atoma spareni, u dijamantu nema slobodnih elektrona pa je on gotovo savršen električni izolator. Naravno, prisutnost malih količina primjesa donekle mu smanjuje izolacijska svojstva. Dijamant se 
odlikuje i visokim indeksom loma svjetlosti - iznosi 2,42.

Prirodni dijamant je bezbojan, poput vode proziran kristal iz kojeg se, brušenjem, izrađuje skupocjeni dijamantni nakit. Primjese malih količina drugih elemenata daju boju dijamantskim kristalima (žutu, crvenu, smeđu, modru, ljubičastu ili zelenu). Zagrijavan na zraku dijamant na temperaturi iznad 800°C polagano izgara, a u čistom kisiku, uz bijelu svjetlost, stvara ugljik(IV)-oksid. Zagrijavanjem na temperaturu iznad 1500°C bez prisutnosti zraka dijamant ubrzano prelazi u stabilniji grafit uz oslobađanje topline. Na njega ne djeluju neoksidativne kiseline i lužine.

Grafit je energetski stabilnija alotropska modifikacija ugljika koja se javlja u dva oblika: alfa-grafit heksagonske strukture i beta-grafit romboedarske strukture istih svojstva. U kristalnoj strukturi alfa-grafita atomi ugljika međusobno su povezani s tri susjedna atoma u ravnini. Preostali nespareni (valentni) elektron može lagano prelaziti s jednog na drugi atom u strukturi preko tzv. delokalizirane pi-veze. Ove veze su usmjerene okomito na ravninu u kojoj se nalaze ugljikovi atomi pa slojevi mogu lagano kliziti jedan preko drugog, odnosno provoditi struju samo u smjeru ravnine slojeva. Grafit se odlikuje i visokom vatrostalnošću jer sublimira tek pri temperaturi 3670°C (ne tali se). Stoga se upotrebljava kao elektrodni materijal za različite elektrokemijske procese i za izradu posuda i lončića za taljenje metala. 
Grafit je mekan i masna opipa. Upotrebljava se kao mazivo otporno na visoke temperature (tzv. grafitna mast), za izradu posuda za taljenje ili lijevanje metala visokog tališta, a služi i za izradu grafitnih uložaka običnih olovaka. Novim grafitnim tehnologijama iz grafita se izrađuju izuzetno čvrsta grafitna vlakna (pirolizom pri temperaturama iznad 1500°C), organska polimerna vlakna usmjerenog rasta (poliakrilonitrili, poliakrilatni esteri i celulozna vlakna). Grafitna vlakna koriste se za izradu metalnih ili nemetalnih kompozitnih materijala male gustoće i izuzetno visoke čvrstoće koji se koriste u zrakoplovnoj i svemirskoj tehnologiji, ali i u građevinarstvu. Polimerna grafitna vlakna dodaju se u plastične mase te tvore grafitno-plastične kompozite također visoke čvrstoće i povećane tvrdoće (tzv. poliakrilni kompoziti).

Na zraku i u kisiku grafit izgara pri temperaturi od 700°C. Reagira s fluorom i jakim oksidacijskim sredstvima, npr. kalijev klorat u smjesi nitratne i sulfatne kiseline oksidira grafit u tzv. grafitnu kiselinu. Bijeli ugljik nov je oblik ugljika koji se ne nalazi na Zemlji u mjerljivim količinama. Njegova prisutnost je, međutim, registrirana spektroskopski u međuzvjezdanom prostoru. Sastoji se od kuglastih molekula koje sadrže više od 40 atoma ugljika i nazivaju se fulerenima prema čuvenom američkom arhitektu Fulleru Buckminsteru, otkrivaču geodetske kupole. Mogućnost postojanja ovih molekula ugljika objavio je D. E. Jones 1966. g. u časopisu "New Scientist", a 1990. g. Kratschmer i Huffman su u Heidelbergu odnosno Tucsonu proizveli prve znatnije količine fulerena (100 mg čistog C60 dnevno) tehnikom lučnog isparavanja grafita u vakuumu i njegovim taloženjem u atmosferi helija pri tlaku 10 kPa. Istraživanja su pokazala da tanki slojevi fulerena, nazvani fuleriti, ne provode električnu struju, ali da im se vodljivost povećava izlaganjem djelovanju kalijevih para i da postaju supravodljivi ispod -255°C (48 K). Fulereni zasad nemaju primjene, ali se intenzivno istražuju jer imaju vrlo specifična svojstva. 


Spojevi ugljika:

Ugljik stvara vrlo veliki broj spojeva u kojima ima oksidacijski broj -4, +2 i +4. Ogromna većina su organske molekule u kojima se pored atoma ugljika, prostorno različito smještenih, nalaze i drugi elementi, prvenstveno vodik, kisik, dušik, fosfor i drugi. Postoji više tisuća organskih spojeva koji su vitalni u svim živim organizmima, a spomenut ćemo samo neke izuzetne kao što su: molekule deoksiribonukleinske kiseline (DNK, engl. DNA), bjelančevine, masti i šećeri. Kemija organskih spojeva tvori zasebnu znanstvenu disciplinu - organsku kemiju pa ovdje nećemo navoditi brojne organske spojeve s ugljikom.

Najvažnije skupine ugljikovih spojeva:

-Karbidi su spojevi ugljika s drugim elementima (izuzevši vodik) i svi su krutine. Općenito se mogu podijeliti na ionske, intersticijske i kovalentne karbide. Ionski karbidi su spojevi ugljika s elektropozitivnim metalima I., II., i III. skupine (alkalnim, zemnoalkalnim metalima i aluminijem) u kojima se ugljikovi atomi ponašaju kao anioni C4- i Cl-. Primjeri su Na2C2, CaC2 i Al4C3. Intersticijski karbidi su karbidi prijelaznih metala, a naziv dolazi zbog činjenice što su atomi ugljika smješteni u tetraedarske šupljine guste slagaline kristalne rešetke metala. Ovi karbidi u pravilu imaju vrlo veliku tvrdoću i visoko talište (posebno karbidi težih elemenata), a električki su vodljivi. 

Volframov karbid (WC) jedna je od najtvrđih tvari i koriste se za izradu brzoreznih alata ili kao kompozitni sastojak. Karbidi lakših prijelaznih metala (Cr, V, Ni, Mn, Fe, itd.) imaju neke karakteristike ionskih karbida. Kovalentni karbidi kovalentni su spojevi ugljika s polumetalima. Najvažniji su silicijev karbid (SiC) i borov karbid (B4C). To su također izuzetno tvrde, netaljive i kemijski inertne krutine. SiC ima strukturu dijamanta gdje je atom jednog elementa tetraedarski vezan sa četiri atoma drugog elementa. Koriste se kao abrazivi i za specijalne visoko-temperaturne elemente otporne na agresivna kemijska djelovanja.

-oksidi ugljika su ugljikov(II)-oksid (CO, ugljični monoksid) i ugljikov(IV)-oksid (CO2, ugljični dioksid). Ugljični monoksid je otrovan plin koji nastaje izgaranjem ugljika i njegovih organskih spojeva bez dovoljne prisutnosti kisika. Vrelište mu je pri -191°C. U zraku je zapaljiv, a s čistim kisikom reagira eksplozivno. Koristi se kao reducens u procesu dobivanja nekih metala (prvenstveno željeza, nikla i olova). S prijelaznim metalima stvara karbonile, a s klorom poznati bojni otrov fozgen (Cl2CO). U organskoj se kemiji koristi u sintezama kao karbonilator (organski spoj s CO). Ugljični dioksid nastaje potpunim izgaranjem ugljika i njegovih spojeva te disanjem živih organizama pa se kao takav nalazi u sastavu atmosfere. Industrijski se dobiva izgaranjem fosilnih goriva (npr. koksa) kao dimni plin, te zagrijavanjem karbonata. Sublimira pri temperaturi -78,5°C. Dobro je topljiv u vodi gdje uglavnom daje hidrate. Molekula mu je linearna, oblika O=C=O, koja apsorbira infracrveno zračenje te je u atmosferi uzrok "efekta staklenika". Koristi se u rashladnim sustavima u tekućoj fazi ili kao "suhi led", kao kemijski reagens i kemijski inertna zaštitna atmosfera te za gašenje požara. Velike se količine koriste za gaziranje mineralne vode i bezalkoholnih pića.

-Karbonati su soli ugljične kiseline oblika MCO3 gdje je M metal. Najznačajniji karbonati su CaCO3, Na2CO3, K2C03, MgCO3 i ZnCO3. Karbonati zemnoalkalijskih metala netopljivi su u vodi. Hidrogen-karbonati sadrže ion [HCO3]^-. Kod žarenja karbonati, izuzev alkalijskih, gube CO2.

-Karbonili spojevi su oblika MCO gdje je M metal. To su npr. Cr(CO)6, Fe(CO)S, Ni(CO)4 itd.

-Ugljkovi(IV)-halogenidi su CF4 (tetrafluor ugljik), CCl4 (tetraklor ugljik), CBr4 (tetrabrom ugljik), CI4 (tetrajod ugljik). Tehnički je najvažniji tetraklorid. To je bistra tekućina s talištem pri -23°C, a vrelištem pri 76,5°C. Uglavnom se koristi kao organsko otapalo, kao fumigant i u sustavima za gašenje požara. Od ostalih halogenida tetrafluorid je inertan plin niskog vrelišta (-128°C), a bromid i jodid su kristali (crveni, odnosno bijeli).

 Početna za: UGLJIK, C