Ugljenik

„Karbon” preusmjerava ovdje. Za ostala značenja, v. Karbon (razvrstavanje).

Ugljenik (6C)
Bor – Ugljenik – Azot   C Si       periodni sistem
Opšti podaci
Pripadnost skupu	Nemetali
grupa, perioda	IVA, 2
gustina, tvrdoća	2267 kg/m3[1], 0.5 (grafit) 10.0 (dijamant)
boja	crna; bezbojna(dijamant)
Osobine atoma
atomska masa	12.0107 u[2]
atomski radijus	70 (67)pm
kovalentni radijus	77 pm
van der Valsov radijus	170 pm
elektronska konfiguracija	[He]2s22p2
e- na energetskim nivoima	2, 4
oksidacioni broj	4, 2 (blago kiseo)
Osobine oksida	slabo kiseli
Kristalna struktura	Heksagonalna
Fizičke osobine
agregatno stanje	čvrsto
temperatura topljenja	3773 K
temperatura ključanja	5100 K
molska zapremina	5.29 ×10-6 m³/mol
toplota isparavanja	355.8 kJ/mol
toplota topljenja	bez podataka
pritisak zasićene pare	0 Pa
brzina zvuka	18350 m/s[3]
Ostale osobine
Elektronegativnost	2.55 (Pauling)
specifična toplota	710 J/(kg*K)
specifična provodljivost	0.061 × 106/(m·ohm)
toplotna provodljivost	129 W/(m*K)
I energija jonizacije	1.086,5 kJ/mol[4]
II energija jonizacije	2352.6 kJ/mol[4]
III energija jonizacije	4620.5 kJ/mol[4]
IV energija jonizacije	6222.7 kJ/mol[4]
V energija jonizacije	37831 kJ/mol[4]
VI energija jonizacije	47.277,0 kJ/mol[4]
Najstabilniji izotopi

Ugljenik, ugljik ili karbon (C, lat. carboneum), je nemetal, IVA grupe.^[5] Stabilni izotopi su mu: ¹²C i¹³C. Bitan nestabilan izotop je ¹⁴C (nastaje od ¹⁴N u gornjim slojevima atmosfere).^[6] Ovaj četvorovalentni nemetal ima nekoliko alotropskih modifikacija:

• dijamant (najtvrđi poznati prirodni mineral). Hemijska formula C. Vezivna struktura: 4 elektrona u 3-dimenzionim sp3-orbitalama
• grafit (jedna od najmekših supstanci). Iste hemijske formule kao dijamant C. Vezivna struktura: 3 elektrona u 2-dimenzionalnim sp2-orbitalama i 1 elektron u p-orbitali.
• fuleren Hemijska formula C60, danas ima široku primenu u poljoprivredi.

Ugljenik je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,09%.

Ugljenik je bio poznat još u praistoriji. Da je hemijski element prvi je utvrdio Antoan Lavoazije. Međunarodni naziv je izveden od latinske reči carbo, ugalj.

Ugljenik je veoma rasprostranjen u prirodi. Broj poznatih jedinjenja ugljenika je preko 10 puta veći od poznatih jedinjenja svih ostalih elemenata.

Cela jedna grana hemije, organska hemija, se bazira na jedinjenjima koja u sebi sadrže ugljenik. Sem organskih jedinjenja veliki značaj imaju ugljen(II)oksid, ugljenik(IV)oksid, ugljena kiselina, karbidi i karbonati.

Ugljik je esencijalni element u biosferi, te po masenom udjelu drugi najrasprostranjeniji element nakon kisika u živim organizmima. Sva živa tkiva su sastavljena iz organskih spojeva ugljika. Međutim, geološki gledano on se ne ubraja u najrasprostranjenije elemente. Ugljik je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 0,087%.^[7] On se nalazi u neživoj prirodi pretežno u obliku spojeva, ali i slobodan u obliku dijamanta i grafita. Glavna nalazišta dijamanata nalaze se u Africi (Južnoafrička Republika i Kongo) i Rusiji. Oni se često mogu naći u vulkanskim stijenama poput kimberlita. Grafit se javlja relativno rijetko u metamorfnim stijenama bogatim ugljikom. Najznačajnija nalazišta su u Indiji i Kini.

Ugljik se u prirodi najčešće može naći u obliku neorganskih karbonatnih stijena (oko 2,8 · 10¹⁶ t). Karbonatne stijene su veoma rasprostranjene na Zemlji i ponegdje formiraju i cijele planine. Jedna od najpoznatijih primjera planina sastavljenih iz ovih stijena su Dolomiti u Italiji. Najvažniji karbonatni minerali su kalcij karbonat CaCO₃ (sa brojnim modifikacijama: krečnjak, kreda, mramor), kalcijum magnezijum karbonat CaCO₃ · MgCO₃ (dolomit), željezo(II) karbonat FeCO₃ i cink karbonat ZnCO₃.

Poznati spojevi ugljika su fosilna goriva ugalj, nafta i zemni plin. Oni nisu čisti ugljikovi spojevi, nego mješavine mnogih različitih organskih spojeva. Oni nastaju pretvaranjem biljnih (ugalj) i životinjskih (nafta i plin) ostataka pod velikim pritiskom. Najveća nalazišta uglja nalaze se u SAD, Kini i Rusiji, a u Bosni i Hercegovini veća nalazišta uglja se nalaze u okolini Banovića, Zenice, Kaknja, Sanskog Mosta, Breze, Živinica, Doboja (Stanari), Ugljevika, Gacka i drugih mjesta. Najvažnije rezerve nafte se nalaze na Arapskom poluostrvu (Irak, Saudijska Arabija, Kuvajt), Meksičkom zalivu i Sjevernom moru. Nešto manje poznata su nalazišta čvrstog metan hidrata u velikim dubinama.

Ugljik se nalazi u atmosferi u obliku ugljen-dioksida (ugljik(IV) oksida). On je sastavni dio zraka. U zraku ima prosječni udio od oko 0,04%. Ugljik dioksid nastaje pri sagorijevanju spojeva koji sadrže ugljik, prilikom disanja svih živih bića, vulkanskom aktivnošću i putem fotosinteze biljaka. Čak i u morskoj vodi rastvoreno je oko 0,01% CO₂ (po masenom udjelu).

U pogledu količine najveći dio ugljika nalazi se u sastavu stijena (litosfera). Svi ostali oblici ugljika čine samo oko 0,1% ukupne količine ugljika na Zemlji.

Stvaranje jezgra atoma ugljika zahtijeva gotovo simultani trostruki sudar alfa čestica (jezgara helijuma) unutar središta ogromne zvijezde giganta ili supergiganta, u procesu poznatim pod nazivom trostruki alfa proces, kao proizvod daljnjih reakcija nuklearne fuzije helija sa vodonikom ili drugom jezgrom helija stvara se izotop litijuma Li-5 i berilijuma Be-8, respektivno, a oba su vrlo nestabilni i gotovo odmah se raspadaju nazad u manja jezgra.^[8] Ovo se dešava u uslovima temperature iznad 100 megakelvina i koncentracije helija koja se brzo širi i hladi što nije bilo slučaj u ranom svemiru, tako da ne postoje dokazi da su se značajne količine ugljika kreirale tokom Velikog praska. Umjesto toga, u unutrašnjosti zvijezda u horizontalnoj ravni H-R dijagrama transformiraju se tri jezgra atoma helija u ugljik pomoću ovog trostrukog alfa procesa.^[9] Da bi ugljik bio dostupan za formiranje života kakvog danas znamo, ovaj ugljik mora biti raširen u svemir kao prašina nakon eksplozije supernova, kao dio materijala od kojeg se kasnije formira druga i treća generacija zvjezdanih sistema koje imaju prisutne planete formirane od takve prašine.^[10] Sunčev sistem je jedan zvjezdani sistem treće generacije. Drugi mehanizam fuzije kojeg pogone zvijezde je CNO ciklus, u kojem ugljik djeluje kao katalizator omogućavajući odvijanje reakcije.

Rotacijska tranzicija različitih izotopskih oblika ugljik monoksida (naprimjer ¹²CO, ¹³CO i C¹⁸O) se može otkriti u submilimetarskom rasponu talasnih dužina i koristi se u proučavanju formiranja novih zvijezda u molekularnim oblacima.^[11]

Pri normalnom pritisku i temperaturama ispod 4000 K grafit je termodinamički stabilnija modifikacija ugljika, što se vidi na faznom dijagramu. Zbog visoke energije aktiviranja i dijamant je stabilan na sobnoj temperaturi, a tek na temperaturi iznad 500 °C uočljivo se pretvara u grafit. Obrnuta transformacija iz grafita u dijamant je moguća uz pritisak od najmanje 20.000 bara (2 GPa). Za dovoljno brzu reakciju, temperatura bi trebala biti iznad 1500 °C a pritisak oko 60.000 bara što odgovara faznom dijagramu.

Ugljik ima najveću otpornost na visoke temperature od svih poznatih materijala. Ne topi se pri normalnom pritisku, nego sublimira pri temperaturi od 3915 K (3642 °C),^[12] bez prethodnog gubljenja čvrstoće. Trojna tačka ugljika je na 10,8 ± 0,2 MPa i 4600 ± 300 K.^[13][14]

Ugljik je dijamagnetičan. Pirolitički izdvojen grafit ima visoku anizotropiju u magnetskom susceptibilitetu (paralelno: ${\displaystyle \chi _{m}$ = −85 · 10⁻⁶, vodoravno: ${\displaystyle \chi _{m}$ = −450 · 10⁻⁶),^[15], nasuprot njemu dijamant je izotropan (${\displaystyle \chi _{m}$ = −22 · 10⁻⁶).

Glavni članci: Dijamant i Grafit

Ovaj četvorovalentni nemetal ima nekoliko alotropskih modifikacija. Dijamant je najtvrđi poznati mineral, kod kojeg atomi ugljika prave sp³-hibridizaciju sa tetraedarskim prostornim rasporedom. Svaki atom ugljika u dijamantu je povezan s četiri druga ugljikova atoma sigma vezom, te je čitav kristal jedna velika molekula.

Grafit (jedna od najmekših supstanci) ima lisnatu strukturu. Svaki ugljikov atom je povezan s tri druga ugljikova atoma. To znači da je prisutna sp²-hibridizacija i tri hibrida leže u jednoj ravni. Preostali π-elektron pravi dvostruku vezu, te je prisutna rezonancija. Kod grafita je zbog toga svaka od tri veze nešto pojačana, pa je on stabilniji od dijamanta za energiju rezonancije.^[16] Razlike u fizikalnim osobinama ove dvije modifikacije su ekstremne. Dijamant je jedan od najtvrđih minerala, dok je grafit mehka supstanca. Dijamant je najbolji provodnik toplote, dok je grafit izolator. Dijamant je izrazito transparentan, a grafit neproziran. Grafit je provodnik električne struje, dok je dijamant izolator. Osim grafita i dijamanta poznate su još neke alotropske modifikacije, kao npr. fulereni.

Lonsdaleit, nazvan također i heksagonalni dijamant, jeste jedna veoma rijetka modifikacija dijamanta. Ime je dobio po irskoj kristalografinji Kathleen Lonsdale, a pronađen je u Barringerovom krateru u Arizoni.^[17] On nastaje kada se grafit izloži određenim ekstremnim uslovima, tj. veoma visokom pritisku i temperaturi koji se dešavaju naprimjer pri udaru meteora ili asteroida. Pri tome se zadržava heksagonalni karakter kristalne strukture grafita, ali za razliku od običnog grafita svaki atom ugljika se veže kovalentnom vezom sa još četiri atoma.^[18]

Postoji više oblika elementarnog ugljika, pod zajedničkim nazivom amorfni ugljik. Rentgenskom analizom je utvrđeno da čestice amorfnog ugljika sadrže grafitnu strukturu, pa zbog toga amorfni ugljik nije posebna alotropska modifikacija. Glavne vrste amorfnog ugljika su: aktivni ugalj, mineralni ugalj, koks, čađ.^[16]

Istraživači na Univerzitetu Virginia Commonwealth i univerzitetima u Japanu i Kini sačinili su u augustu 2014. novu strukturnu varijantu ugljika nazvanu pentagrafen. On se sastoji iz veoma tankih slojeva čistog ugljika koji ima jedinstvenu strukturu, inspiriranu pentagonalnom shemom koja podsjeća na popločane ulicu u Kairu. Ovaj novootkriveni materijal je dinamički, termalno i mehanički stabilan. Istraživanja su pokazala da kada se pentagrafen umota u obliku valjka, takve nanocijevi posjeduju poluprovodničke osobine, bez obzira na njihovu hiralnost. Očekuje se da će ovaj materijal naći široku primjenu u nanoelektronici i nanomehanici.^[19]

Ugljik ima dva stabilna izotopa: ¹²C i¹³C. Izotop ¹²C je daleko uobičajeniji u prirodi i čini 98,9 % prirodnog ugljika, dok na izotop ¹³C otpada 1,1%. Po definiciji izotop ¹²C je osnova za jedinicu atomske mase. Izotop ¹³C se može detektirati u NMR spektroskopskim ispitivanjima, jer ima drugačiji magnetski momenat od ¹²C.

Osim ova dva stabilna izotopa postoji još nekoliko nestabilnih. Najpoznatiji nestabilni izotop ugljika je ¹⁴C koji ima vrijeme poluraspada od 5730 godina. On nastaje prirodnim raspadanjem ¹⁴N u gornjim slojevima atmosfere.

Organski materijal, koji učestvuje u ugljikovom ciklusu u prirodi, ima isti udio ¹⁴C u odnosu na stabilne izotope kao i ugljik u atmosferi. Nakon završetka razmjene materija, naprimjer pri opadanju lišća sa drveta, ovaj odnos se postepeno smanjuje zbog radioaktivnog raspada. Mjerenjem odnosa količina izotopa ¹⁴C i stabilnih izotopa moguće je tačno procijeniti starost predmeta koji je nastao od organskog materijala, što je poznato kao metoda datiranja ugljikom C-14 a našla je primjenu u arheologiji.

René A. F. de Réaumur je 1772. pokazao da se željezo prevodi u čelik apsorpcijom suspstance, za koju se danas zna da je ugljik.^[20] Godine 1772, Antoine Lavoisier je dokazao da je dijamant forma ugljika, spaljivanjem uzorka ugljika i dijamanta, pri čemu je dokazao da ne nastaje voda kao produkt i da i jedan i drugi oslobađaju istu količinu ugljen-dioksida po gramu. Carl Wilhelm Scheele je dokazao da je grafit, za koji se mislilo da je oblik olova, u stvari oblik ugljika.^[21] Godine 1786, francuski naučnici Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge i C. A. Vandermonde pokazali su da je ova supstanca ugljik.^[22] Oni su predložili ime karbon za ovaj element (latinski carbonum). Antoine Lavoisier uveo je ugljik kao hemijski element u svojoj knjizi iz 1789. godine.^[21]

Grafit se upotrebljava za proizvodnju olovaka, u strojarstvu kao mazivo za ležajeve i ključanice, u nuklearnoj industriji za izgradnju nuklearnih reaktora itd. Ljepši primjerci dijamanta upotrebljavaju se za izradu skupocjenog nakita, a oni manje lijepi za izradu alata za rezanje, bušenje, brušenje i poliranje.

Ugljik je element koji poslije vodika može graditi najveći broj poznatih spojeva među svim elementima (vodik je na prvom mjestu, jer većina spojeva ugljika također sadrži i vodik). Posebnost ugljika je da može praviti duge lance i prstenove molekula sa samim sobom kao i sa drugim elementima, a u molekulama može se spajati i dvostrukom i trostrukom vezom koristeći π-orbitale. Prilikom stvaranja višestrukih veza ugljiku preostaje i jedan slobodan elektron, koji može dalje reagirati, za razliku od takvih veza kod kisika i dušika. To znači da se otvaraju mogućnosti za dalje reakcije i formiranje spojeva. Zbog svoje srednje snažne elektronegativnosti ima izuzetno dobre mogućnosti spajanja bilo sa elektropozitivnim kao i sa elektronegativnim elementima. U prirodnim organskim i neorganskim spojevima nalazi se u oksidacijskim stanjima u cijelom rasponu od -IV do +IV.

Spojevi ugljika se tradicionalno ubrajaju u organsku hemiju, uz samo nekoliko izuzetaka. Ova grana hemije ponekad se naziva i hemija ugljika. Organska hemija obuhvata, zbog posebnih sposobnosti ugljika, da gradi duge molekulske lance i kovalentne veze sa drugim atomima, više spojeva nego cijela neorganska hemija. I biohemija je također dio organske ugljikove hemije. Među najjednostavnije organske spojeve ubrajaju se alkani metan i etan.

Samo relativno malehni broj spojeva ugljika se tradicionalno ubraja u neorganske spojeve, među njima količinski najvažniji spojevi sa kisikom:

• karbidi; spojevi ugljika tipa E_xC_y, u kojima je ugljik elektronegativniji dio molekule. Mnogi metali mogu graditi karbide, a koji su djelimično izuzetno tvrdi i pogodni za izradu alata za rezanje (naprimjer volfram karbid)
• ugljen-monoksid (CO, ugljik monoksid), vrlo otrovni plin, koji djeluje kao jako redukciono sredstvo i igra značajnu ulogu u industrijskom topljenju metala (naprimjer željeza)
• ugljen-dioksid (CO₂, ugljik(IV) oksid) je staklenički plin koji se otpušta u velikim količinama sagorijevanjem fosilnih goriva (uglja, nafte i zemnog plina). Otpuštaju ga i većina živih bića u procesu disanja, a za biljke je neophodan za proces fotosinteze. Ugljik dioksid čini oko 0,038% Zemljine atmosfere, a procjenjuje se da je prije industrijske ere njegova koncentracija u atmosferi iznosila oko 0,028%.
• ugljenična kiselina (H₂CO₃) je metastabilni proizvod sastavljen od vode i u vodi otopljenog CO₂; srednje jaka kiselina, ali se zbog neprestanog prelaska između ugljične kiseline i otopljenog CO₂, najčešće se obuhvata zajedno sa ugljik dioksidom.
• Suboksidi kao što su triugljik dioksid (C₃O₂), tetraugljik dioksid (C₄O₂), pentaugljik dioksid (C₅O₂) i anhidrid oksalne kiseline (C₄O₆)^[23].
• Hidrogenkarbonat ili bikarbonat E⁺ HCO₃⁻, čiji je najpoznatiji predstavnik natrijum hidrogen karbonat, šire poznat i pod trgovačkim nazivom soda bikarbona.
• Karbonati E²⁺ CO₃²⁻ su dvovalentne soli ugljične kiseline. Dva najpoznatija karbonata su natrij karbonat (sa trivijalnim imenom soda), važna sirovina za proizvodnju stakla i kalcijum karbonat koji se može izdvojiti iz školjki, oklopa puževa i slično, a gradi i kamene korale. Tokom Zemljine geneze kalcij karbonat koji se taložio i drugim procesima sakupljao od školjki i sličnih životinja te danas su od njega građene cijele planine. Kalcij karbonat je važan građevinski materijal.
• Spojevi ugljika i sumpora, među kojima je najpoznatiji spoj ugljen-disulfid (CS₂), koji je vrlo otrovna tekućina.
• Spojevi ugljika i dušika, poput cijanida, čiji je najpoznatiji predstavnik kalijum cijanid, vrlo snažni otrov koji blokira disanje čovjeka. Mnogi drugi cijanidi su također otrovni za čovjeka.

Tetrafluorougljik je stabilna tvar koja se dobiva kao krajnji produkt fluoriranja organskih spojeva. U laboratoriju se pripravlja fluoriranjem silicijevog karbida.

Tetraklorougljik je bezbojna tekućina pri sobnoj temperaturi i atmosferskim tlakom. Često se koristi kao otapalo.

Tetrabromougljik je tamno žuta krutina na sobnoj temperaturi. Netopljiv je u vodi i drugim polarnim otapalima.

Tetrajodougljik je svjeto crvena krutina mirisa sličnog jodu. Pripravlja se reakcijom etil-jodida i tetraklorougljika uz aluminijev tri klorid.

Ugljikov monoksid (CO) nastaje pri izgaranju ugljikovih spojeva uz ograničeni dotok kisika. Industrijski se proizvodi kao generatoski plin, izgaranjem koksa u generatoru, ili kao vodeni plin, u smjesi sa vodikom, reakcijom generatorskog plina s vodenom parom. Ugljikov monoksid je vrlo toksičan jer se veže s hemoglobinom na sličan način kao i kisik.

Ugljikov dioksid (CO₂) je bezbojni plin, bez mirisa. Dobiva se izgaranjem ugljika ili ugljikovih spojeva, ili reakcijom kiselina s karbonatima. Ugljikov dioksid je inertni plin i često se koristi kao inertna atmosfera u slučajevima gdje prisutnost kisika može biti štetna.

Ugljen suboksid (C₃O₂) je plin neugodnog mirisa, koji se formira dehidriranjem malonske kiseline fosforovim 5 oksidom u vakuumu pri 140 do 150 °C. Ugljikov suboksid ima linearnu molekulu: O=C=C=C=O. Stabilan je na temperaturi vrelišta dušika: –78 °C, a na 25 °C polimerizira.

Anhidrid melne kiseline(C₁₂O₉)

Ugljik formira i druge, nestabilne okside: C₂O, C₂O₃, CO₃.

Karbidi 1., 2., 12. grupe, te aluminija su ionski karbidi. Struktura ovih karbida sadrže izoliranje ugljikove atome (Be₂C, Al₄C₃), acetilidne ione (C₂^2-) (CaC₂, MgC₂, BeC₂, BaC₂, ZnC₂, Na₂C₂, K₂C₂), ili C₃^4- anion. Hidrolizom ovih karbida dobiva se metan, acetilen ili alen, ovisno od kojeg iona je karbid sastavljen.

Karbidi prijelaznih metala: Rani prijelazni metali (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W) tvore karbide s metalnim karakterom. Ovi metali, u svojoj strukturi, imaju međuprostore koji odgovaraju veličini ugljikovog atoma. Ugljik u međuprostorima čini ovakve karbide izuzetno stabilnima, vrlo visokih tališta i kemijski inertnim materijalima. Karbidi 7. 8. 9. i 10. skupine su nestabilniji od karbida ranih prijelaznih metala, otapaju se u vodi ili kiselinama. Karbidi lantanida i aktinida imaju formulu i strukturu sličnu acetilidima, ali hidrolizom s vodom daju metan.

Kovalentni karbidi su karbidi nemetala. Odlikuju se velikom tvrdoćom i lesto se koriste kao abrazivna sredstva.

• Razugljeničenje

	U Wikimedijinoj ostavi ima još materijala vezanih za: Carbon
	Potražite izraz ugljenik u W(j)ečniku, slobodnom rječniku.

• Ugljik na Chemieseite.de
• Hibridizacija ugljika
• Carbon at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Carbon on Britannica
• Extensive Carbon page at asu.edu Arhivirano 2010-06-18 na Wayback Machine-u
• Electrochemical uses of carbon Arhivirano 2001-11-09 na Library of Congress-u
• Carbon—Super Stuff. Animation with sound and interactive 3D-models. Arhivirano 2012-11-09 na Wayback Machine-u