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 uhlíka jsou jedním ze základů světové ekonomiky, fosilní paliva jako zemní plyn a uhlíko slouží jako energetický zdroj na výrobu elektriny a vytápění, produkty zpracování ropy (benzín, nafta, těžké oleje) jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíka jsou součástí každodenního života či ide o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty nebo léčiva.
Formy uhlíka
Elementární uhlík
Uhlík je typický nekovový prvek, který se jako minerál v elementárním stavu vyskytuje v přírodě v 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 na psaní nebo kreslení.
Diamant je tvořen uhlíkem, který krystalizuje v krychlové soustavě, je velmi cenným minerálem a patří mezi nejtvrdší materiály. Váha diamantů se udává v karátech, největším dosud nalezeným diamantem byl Cullinan, který v surovém stavu při nálezu v JAR měl hmotnost 3 106 karátů (621,2 g).[1]
Fullerény jsou novoobjevené sférické molekuly, složené z pěti nebo častěji z šestičlenných kružnic atomů uhlíka. V prostoru jsou tyto molekuly uspořádané do kulovitého tvaru a jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fullerén je molekula obsahující 60 uhlíkových atomů. Fullerény se uměle připravují pyrolýzou organických sloučenin laserem. Za objev a studium vlastností fullerénů byla v roce 1996 udělena Nobelova cena za chemii Robertovi F. Curlovi, Richardovi E. Smalleyovi a Haroldovi W. Krotoovi. V současnosti je výzkum vlastností a metod přípravy fullerénů velmi intenzivně zkoumaný v mnoha špičkových vědeckých institucích po celém světě.
Grafén je podobný grafitu s tím rozdílem, že jde nejtenší a nejtvrdší materiál na světě. Objevili ho Andre Geim a jeho kolega Konstantin Novoselov v roce 2004. Elektrony grafénu akoby porušovaly fyziku. Pohybují se takřka rychlostí světla bez toho, aby do sebe narážely. To se dá využít v tranzistorech, pamětech nebo mikroprocesorech.
Výskyt a využití
Grafit
Grafit je minerál, který se nachází na mnoha místech na Zemi. Jedny z největších grafitových dolů se nacházejí v USA (Texas a štát New York), Mexiku, Indii a Rusku. Grafit je např. i složkou saze, které vznikají spalováním fosilních paliv. Je však v částicích tak malých, že saha má spíše vlastnosti amorfního uhlíka.
Grafit se průmyslově využívá nejvíce na výrobu tužek. Přitom se nejprve společně s vápencem velmi jemně zmelí a potom 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 na jeho velmi dobrou tepelnou odolnost se z něho vyrábějí nádoby, tzv. kokily, do kterých se lejí roztavené kovy a jejich slitiny. Zabrání se tak kontaminaci roztavených kovů kovem, z kterého by se kokila musela vyrobit. Z grafitu se vyrábějí i elektrody pro elektrolytickou výrobu hliníku z taveniny bauxitu a kryolitu nebo při výrobě kremíku z taveniny oxidu kremičitého.
Sklový grafit[
Uměle vyrobenou formou grafitu je tzv. 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.
V důsledku mimořádných fyzikálních a chemických vlastností 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 vysoko odolné a je možné na nich dosáhnout vysoký kladný potenciál bez toho, aby docházelo k jejich rozpouštění jako při normálních kovových elektrodách. To se dá 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 na odpaření analyzované vzorky kyvetu, která se po několika sekundách zahřeje až na teplotu okolo 3 000 °C. Pokrytí vnitřní plochy této kyvety sklovým grafitem dramaticky zvyšuje její odolnost a v porovnání s klasickou grafitovou kyvetou prodlužuje její použitelnost.
- V metalurgii se na čištění kovů metodou zonálního tavení používají trubice pokryté sklovým grafitem, ve kterých celý proces probíhá.
- Laboratorní pomůcky s povrchem ze sklového grafitu dosahují stejnou nebo dokonce lepší chemickou odolnost, než pomůcky z platiny, či z její slitiny s ródiem.
Jantár
Zvláštní formu uhlíkatého minerálu představuje jantár - mineralizované zbytky třetihorní živice staré okolo 50 milionů let. Průměrné chemické složení jantáru bylo určeno jako C10H16O. Základní barva jantáru je zlatohnědá, ale můžeme najít i odrody celkem průhledné, červené, kávové i bílé.
Nachází se v Evropě jako skamenelá živice borovic a v Střední Americe a Mexiku, kde jde o živicu tropické dřeviny kopálu.
Význam jantáru je nejvíce ve výrobě šperků a ozdobných předmětů. Asi nejvýznamnějším projektem v tomto oboru byla pověstná Jantárová komnata, místnost obložená nádhernými umělecky zpracovanými jantárovými bloky v Petrohradském císařském paláci. V průběhu 2. světové války německé okupační vojská Jantárovou komnatu rozbraly a odvezly na neznámé místo. Dodnes se po této kulturní památce bezvýsledně pátrá.
Další význam jantáru je paleontologický. V hmotě jantárových nálezů jsou velmi často perfektně zachovaná těla třetihorního hmyzu, pyl vtedajších rostlin a další artefakty.
Zajímavé je, že se dodnes nepodařilo jantár vyrobit uměle i přesto, že je dobře známo jeho chemické složení, i předpokládaný postup vzniku.