Uhlík

6 bor ? uhlík ? dusík - ? C ? Si periodická tabulka
Generál
Jméno, Symbol, Číslo	uhlík, C, 6
Chemická série	nonmetals
Skupina, Období, Blok	14, 2, p
Vzhled	černit (tuhu) bezbarvý (diamant)
Relativní atomová hmotnost	12.0107(8) g/mol
Konfigurace elektronu	1s2 2s2 2p2
Elektrony na shell	2, 4
Fyzikální vlastnosti
Fáze	pevný
Hustota (blízko r.t.)	(tuha) 2.267 g/cm?
Hustota (blízko r.t.)	(diamant) 3.513 g/cm?
Teplota tání	? trojný bod, ca. 10 MPa a (4300 – 4700) K (4027 – 4427 °C, 7280 – 8000 °F)
Teplota varu	? subl. ca. 4000 K (3727 °C, 6740 °F)
Teplo roztavení	(tuha)  ? 100 kJ/mol
Teplo roztavení	(diamant)  ? 120 kJ/mol
Výparné skupenské teplo	? 355.8 kJ/mol
Tepelná kapacita	(25 ° C) (tuha) 8.517 J / (mol · K)
Tepelná kapacita	(25 ° C) (diamant) 6.115 J / (mol · K)
Tlak páry (tuha) P/ Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k u T/ K   2839 3048 3289 3572 3908
Atomové vlastnosti
Krystalová soustava	šestiúhelníkový
Oxidační stavy	4, 2 (mírně kyselý kysličník)
Elektronegativita	2.55 (Pauling měřítko)
Ionization energie (více)	1st: 1086.5 kJ/mol
	2nd: 2352.6 kJ/mol
	3rd: 4620.5 kJ/mol
Atomový poloměr	70 odpoledne
Atomový poloměr (calc.)	67 odpoledne
Covalent poloměr	77 odpoledne
Van der Waals poloměr	170 odpoledne
Rozmanitý
Magnetické uspořádání	diamagnetic
Tepelná vodivost	(300 K) (tuha) (119 – 165) W / (m · K)
Tepelná vodivost	(300 K) (diamant) (900 – 2320) W / (m · K)
Tepelná vodivost	(300 K) (diamant) (503 – 1300) mm? /s
Mohs tvrdost	(tuha) 0.5
Mohs tvrdost	(diamant) 10.0
Registrační číslo CAS	7440-44-0
Pozoruhodné izotopy
Hlavní článek: Izotopy uhlíku iso Na poločas rozpadu DM DE (MeV) DP 12C 98.9% C je stáj s 6 neutrony 13C 1.1% C je stáj s 7 neutrony 14C stopa 5730 y beta- 0.156 14N
Odkazy

Uhlík je chemický prvek, který má v periodické tabulce značku C a protonové číslo Hojný nonmetallic, element tetravalent, uhlík má několik forem allotropic:

• Diamant: Nejtvrdší známý přírodní nerost Struktura: každý atom je spojen tetrahedrally k čtyři jiní, výroba 3-rozměrná síť svraštěný šest-membered kruhy atomů.
• Tuha: Jeden z nejměkčejších substancí. Struktura: každý atom je spojen trigonally ke třem jiným atomům, výroba 2-rozměrná síť bytu šest-membered prsteny; ploché listy jsou volně spojené.
• Fullerenes: Struktura: poměrně velké molekuly se tvořily kompletně uhlík se spojil trigonally, tváření spheroids (který best-known a nejjednodušší je buckminsterfullerene nebo buckyball, protože jeho soccerball-formoval strukturu).
• Chaoite: Nerost věřil být tvořen v dopadech meteoritu.
• Lonsdaleite: Korupce diamantu. Struktura: podobný diamantu ale tváření šestiúhelníková krystalová mřížka.
• Amorfní uhlík: Skelná substance. Struktura: směs molekul uhlíku v non-krystalický, nepravidelný, skelný stát.
• Carbon nanofoam: An extrémně rozsvítí magnetický web. Struktura: low-density síť tuhy-jako skupiny, ve kterém atomy jsou spojeny trigonally v šest - a sedm-membered prsteny.
• Carbon nanotubes: Malé trubky. Struktura: každý atom je spojen trigonally v zakřiveném listu, který tvoří dutý válec.
• Agregovaný diamant nanorods: Nejvíce nedávno objevil allotrope a nejtvrdější substanci známou muži.
• Lampblack: Sestává z malých graphitic oblastí. Tyto oblasti jsou náhodně rozděleny, tak celá struktura je isotropic.
• ' Skelný uhlík ': An isotropic substanci, která obsahuje vysoký poměr uzavřené pórovitosti. Na rozdíl od normální tuhy, graphitic vrstvy nejsou nacpané jako stránky knihy, ale mít více náhodnou dohodu.

Karbonová vlákna jsou podobná skelnému uhlíku. Pod zvláštním zacházením (roztahování organických vláken a karbonizace) to je možné uspořádat letadla uhlíku v směru vlákna. Kolmý k ose vlákna není tam žádná orientace letadel uhlíku. Výsledek jsou vlákna s vyšší specifickou sílou než ocel.

Uhlík se vyskytuje v celém organickém životě a je východisko pro organickou chemii. Toto nekovový také má zajímavou chemickou vlastnost bytí schopného se spojit s sebou a širokou škálu dalších prvků, se tvořit skoro 10 miliónů známých směsí. Když se spojil s kyslíkem to tvoří oxid uhličitý, který je životně důležitý k růstu rostliny. Když se spojil s vodíkem, to se tvoří různé směsi volaly uhlovodíky, které jsou nezbytné pro průmysl ve formě fosilních paliv. Když kombinoval se jak kyslíkem tak vodíkem to může tvořit mnoho skupin směsí včetně mastných kyselin, který být nezbytný pro život a estery, který dodat chuti k mnoha ovocím. Uhlík izotopu-14 je obyčejně použit v radioaktivním datování.

Pozoruhodné vlastnosti

Uhlík je významný element pro mnoho důvodů. Jeho různé formy zahrnují jednoho nejměkčí (tuha) a jeden nejtvrdější (diamantové) substance známý. Navíc, to má velké spříznění s propojením s jinými malými atomy, zahrnovat jiné atomy uhlíku a jeho malou velikost dělá to schopný tvoření rozmanitých pout. Protože těchto vlastností, uhlík je známý formě téměř deset miliónů různých směsí, velká většina všech chemických sloučenin. Sloučeniny uhlíku tvoří východisko pro celý život na Zemi a uhlík-cyklus dusíku poskytuje některé energie produkované sluncem a jinými hvězdami. Navíc, uhlík má nejvyšší tavení/bod sublimace všech elementů. U atmosferického tlaku to má žádný skutečný bod tání, zatímco jeho trojný bod je u 10 MPa (100 baru) tak to sublimuje nahoře 4000 K. tak to zůstane pevnou látkou u vyšších teplot než nejvyšší bod tání kovy jako wolfram nebo rhenium, bez ohledu na jeho formu allotropic.

Carbon nebyl vytvořen ve velkém třesku kvůli skutečnosti, že to potřebuje trojitou srážku alf částice (jádra hélia) být produkován. Vesmír zpočátku zvětšil a se ochladil příliš rychle pro to být možný. To je produkováno, nicméně, ve vnitřku hvězd ve vodorovné větvi, kde hvězdy přemění jádro hélia do uhlíku prostředky trojnásobný-alpha proces. To bylo také vytvořeno v multi atomovém státu.

Aplikace

Uhlík je nezbytná součást všech známých živých systémů, a bez toho život jak my víme, že to nemohlo existovat (viz alternativní biochemie). Hlavní ekonomické použití uhlíku je ve formě uhlovodíků, nejvíce pozoruhodně fosílie podporuje plyn metanového plynu a naftu (ropa). Ropa je používána petrochemickým průmyslem k produkci, mezi ostatními, benzín a petrolejka, přes proces destilace, v rafineriích. Nafta tvoří surový materiál pro mnoho syntetických substancí, mnoho ze kterého být kolektivně volaly plasty.

Jiná použití

• Uhlík izotopu-14 byl objeven v 27. února 1940 a je používán v datování radiocarbon.
• Tuha je zkombinovaná s jíly k formě ' vedení ' použitý v tužkách.
• Diamant je užitý na dekorační účely, a také jako vrtné korunky a ostatní žádosti používat jeho tvrdost.
• Uhlík je přidán k železu vyrábět ocel.
• Uhlík je používán jako moderátor neutronu v nukleárních reaktorech.
• Uhlík tuhy v napudrovaném, pokrytém ročníku je používán jako dřevěné uhlí pro křížový výslech, předlohu a jiná použití.
• Aktivní dřevěné uhlí je používáno v lékařství (jako prach nebo smíchaný v tabletkách nebo kapslích) adsorb jedy, jedy nebo plyny od zažívacího ústrojí.

Chemické a strukturální vlastnosti fullerenes, ve formě nanotubes uhlíku, má slibná potenciální použití ve vznikajícím poli nanotechnology. Nanoparticles by mohl nicméně být jedovatý.

Historie a etymologie

Carbon byl objeven v prehistorii a byl známý ancients, kdo vyrobil to hořícím organickým materiálem v nedostatečném kyslíku (dělat dřevěné uhlí). Diamanty dlouho byly považovány vzácný a krásný. Jeden poslední-známé allotropes uhlíku, fullerenes, byl objeven jako vedlejší produkty molekulárních paprskových experimentů v 80-tých letech.

Jméno přijde z francouzštiny charbone, který podle pořadí přišel z latiny carbo, znamenat dřevěné uhlí. V němčině a holandský, jména pro uhlík jsou Kohlenstoff a koolstof příslušně, oba doslovně mínit “uhlí-látka”.

Allotropes

Osm allotropes uhlíku:
diamant, tuha, lonsdaleite,
C60, C540, C70,
amorfní uhlík a uhlík nanotube.

Základní fázový diagram uhlíku, který ukazuje stav důvodu pro měnící se teploty a tlaků. Hashed oblasti ukážou podmínky pod kterým jedna fáze je metastable, tak že dvě fáze mohou koexistovat.

Allotropes uhlíku jsou různé molekulární konfigurace to čistý uhlík moci brát.

Tři relativně známé allotropes uhlíku jsou amorfní uhlík, tuha a diamant. Několik exotického allotropes také bylo syntetizované nebo objevovalo, fullerenes obsahování, nanotubes uhlíku, lonsdaleite a agregovaný diamant nanorods.

V jeho amorfní formě, uhlík je nezbytně tuha ale ne zadržel krystalickou makrostrukturu. To je, poněkud, dar jako prach, který je základní složka substancí takový jako dřevěné uhlí, lampblack (sazi) a aktivní uhlí.

U standardních tlaků uhlík vezme formu tuhy, ve kterém každý atom je spojen k tři jiní v letadle klidný slil šestiúhelníkové prsteny, úplně jako ti v aromatických uhlovodíkách. Dvě známé formy tuhy, alpha (šestiúhelníkový) a beta (rhombohedral), oba mají totožné fyzické vlastnosti, kromě pro jejich krystalovou soustavu. Graphites to přirozeně nastat se nalézali obsahovat až 30 % formy bety, když synteticky-vytvořená tuha jen obsahuje alpha forma. Alpha forma může být přeměněna na formu bety přes strojní zpracování a forma bety se vrátí zpět k alpha forma když to je ohříváno nahoře 1000 ° C.

Protože delocalization pi-mrak, tuha vede elektřinu. Materiál je měkký a listy, často se oddělil jinými atomy, být držen spolu jediný dodávkou der Waals síly, tak snadno proklouznout kolem jednoho jiný.

U velmi vysokých tlaků uhlík tvoří allotrope volaný diamant, ve kterém každý atom je spojen k čtyři jiní. Diamant má stejnou kubickou strukturu jako křemík a germanium a, díky síle uhlíku-uhlík se spojí, je spolu s isoelectronic boron nitrid (BN) nejtvrdější substance v podmínkách odporu vůči drsnění. Přechod k tuze u pokojové teploty je tak pomalý jak být unnoticeable. V některých podmínkách, uhlík krystalizuje se jako Lonsdaleite, forma podobná diamantu ale šestiúhelníkový.

Fullerenes má tuhu-jako struktura, ale místo čistě šestiúhelníkového balení, také obsahovat pětiúhelníky (nebo možná heptagons) atomů uhlíku, který ohnout list do koulí, elips nebo válců. Vlastnosti fullerenes (také volal “buckyballs” a “buckytubes”) přesto nebyli úplně analyzovaní. Všechna jména fullerenes jsou po Buckminster plnější, vývojář geodesic dome, který napodobuje strukturu “buckyballs”.

Allotrope nanofoam byl objevil, že který je ferromagnetic.

Carbon allotropes obsahují:

• Amorfní uhlík
• Carbon nanofoam (objevený v roce 1997)
• Carbon nanotube
• Diamant
• Fulleren
• Tuha
• Lonsdaleite
• Agregované diamantové nanorods (syntetizované v roce 2005)

Systém allotropes uhlíku měří rozmezí extrémů.

Mezi diamantem a tuhou:

• Tuha je měkká a je použita v tužkách
• Diamant je nejtvrdější nerost známý muži (ačkoli agregované diamantové nanorods jsou nyní věřil být dokonce tvrdější), ale tuha je jedna nejměkčí.
• Diamant je ultimate drsný, ale tuha je velmi dobré mazadlo.
• Diamant je vynikající elektrická izolační látka, ale tuha je dirigent elektřiny.
• Diamant je obvykle průhledný, ale tuha je neprůhledná.
• Diamond se krystalizuje v krychlové soustavě, ale tuha krystalizuje se v šesterečné soustavě.

Mezi amorfním uhlíkem a nanotubes:

• Amorfní uhlík je mezi nejsnadnější materiály syntetizovat, ale nanotubes uhlíku jsou extrémně nákladné dělat.
• Amorfní uhlík je kompletně isotropic, ale nanotubes uhlíku jsou mezi nejvíce anisotropic materiály někdy produkoval.

Výskyt

Tam je skoro deset miliónů sloučenin uhlíku známých vědě. Mnoho tisíců těchto je zásadní k procesům života. Oni jsou také mnoho organický-založené reakce ekonomické důležitosti. Uhlík je hojný na slunci, hvězdy, komety, a v atmosférách většiny planet. Některé meteority obsahují mikroskopické diamanty, které byly tvořeny, když sluneční soustava byla ještě disk protoplanetary. V kombinaci s dalšími prvky, uhlík je nacházel zemskou atmosféru a se rozpouštěl ve všech tělech vody. S menšími množstvími vápníku, hořčíkem a železem, to je hlavní součást velmi velkých mas karbonátová hornina (vápenec, dolomite, etc mramoru.). Když kombinoval s vodíkem, uhlík tvoří uhlí, ropu a zemní plyn který být volaly uhlovodíky.

Tuha je nalezená ve velkých množstvích v New Yorku a Texasu, Spojené státy; Rusko; Mexiko; Grónsko a Indie.

Přirozené diamanty se vyskytují v neroste kimberlite shledal v starověký sopečný “krky,” nebo “roury”. Většina depositů diamantu je v Africe, pozoruhodně v Jižní Africe, Namibie, Botswana, republika Konga a Sierra Leone. Tam jsou také deposity v Arkansasu, Kanada, Arktida Rusa, Brazílie a v severní a západní Austrálii.

Organické sloučeniny

Nejprominentnější kysličník uhlíku je oxid uhličitý, CO₂. Toto je podružná součást zemské atmosféry, vytvořený a použitý živými věcmi, a obyčejný nestálý jinde. Ve vodě to tvoří trasovací množství kyseliny methanoic, HCO₂H, ale jako většina směsí s násobkem jeden-spojené oxygens na jediném uhlíku to je nestálé. Přes toto přechodný, ačkoli, resonance-se stabilizoval uhličitanové ionty jsou produkovány. Některé důležité nerosty jsou uhličitany, pozoruhodně vápenec. Carbon disulfide, CS₂, je podobný.

Jiné kysličníky jsou uhlík monoxide, CO, a neobvyklý suboxid uhlíku, C₃O₂. Carbon monoxide je vytvořen neúplným spalováním, a je bezbarvý, odorless plyn. Molekuly každý obsahovat trojnou vazbu a být docela polar, končit tendencí vázat permanentně k haemoglobin molekuly, tak že plyn je velmi otravný. Kyanit, CN^-, má podobnou strukturu a se chová hodně jako halide iont; cyanogen nitridu, (CN)₂, je příbuzný.

S reaktivními kovy, takový jako wolfram, uhlík se tvoří jeden carbides, C^-, nebo acetylides, C₂^{2 -} tvořit slitiny s velmi vysokými body tání. Tyto anions jsou také spojené s metanovým plynem a acetylénem, obě velmi slabé kyseliny. Všichni ve všech, s electronegativity 2.5, uhlík upřednostňuje tvořit covalent pouta. Nemnoho carbides jsou mříže covalent, jako carborundum, SiC, který se podobá diamantu.

Uhlíkové řetězy

Carbon má schopnost tvořit dlouhé řetězy se spojením C-C svazky. Tato vlastnost je nazývána slučováním. Carbon-svazky uhlíku jsou docela silné, a abnormaly stabilní. Tato vlastnost je důležitá, zatímco to dovolí uhlíku tvořit obrovské množství směsí; ve skutečnosti, tam být více známý uhlík-obsahování sloučenin než všechny sloučeniny jiných chemických prvků se spojilo.

Nejjednodušší forma organické molekuly je uhlovodík - velká rodina organických molekul to, samozřejmě, být složen z atomů vodíku spojených k řetězu atomů uhlíku. Přivázat délku, postranní řetězce a charakteristické skupiny všichni ovlivní vlastnosti organických molekul.

Uhlíkový cyklus

V pozemských podmínkách, přeměna jednoho izotopu k jinému je velmi vzácná. Proto, pro praktické cíle, množství uhlíku na Zemi je konstanta. Tak procesy, které používají uhlík musí dostat to od někde, a se zbavit toho někde. Cesty ten uhlík následuje v životním prostředí být volal uhlíkový cyklus. Například, rostliny kreslí oxid uhličitý ven prostředí a používat to, aby stavěl biomass. Někteří tohoto biomass je jeden zvířaty, kde někteří to je vypouštěno jako oxid uhličitý. Uhlíkový cyklus je značně komplikovanější než tato krátká smyčka; například, nějaký oxid uhličitý je rozpuštěn v oceánech; mrtvá rostlina nebo záležitost zvířete mohou stát se usazenou horninou, a tak dále.

Izotopy

Carbon má dva stabilní, přirozeně-nastávat izotopy: uhlík-12, nebo ¹²C, (98.89%) a uhlík-13, nebo ¹³C, (1.11%), a jeden nestálý, přirozeně-nastávat, radioizotop; uhlík-14 nebo ¹⁴C. je jich tam 15 známé izotopy uhlíku a nejnedostatečnější-žil tito je ⁸C který se rozkládá přes emisi protonu a alfu rozpad. To má half-life 1.98739x10^{- 21} s.

V roce 1961 mezinárodní svaz čisté a aplikované chemie přijal uhlík izotopu-12 jako východisko pro atomové hmotnosti.

Carbon-14 má half-life 5730 y a byl používán značně pro radiocarbon datování carbonaceous materiály.

Opatření

Uhlík je relativně bezpečný. Inhalace z jemné saze Carbon může chytat oheň u velmi vysokých teplot a hořet energicky (jak v Windscale ohni).

Tam být obrovské množství sloučenin uhlíku; někteří jsou lethally otravní (kyanit, CN^-), a někteří jsou nezbytní pro život (glukóza).