Výskyt uhlíku v prírode
Uhlík se vyskytuje v přírodě v elementárním stavu zejména jako diamant a grafit Vázaný uhlík je zastoupen v anorganické formě v podobe zejména uhličitanů (vápenec CaC03, magnezit MgCČV, a dolomit CaMgíCO,)^ a oxidu uhličitého. V organických sloučeninách je uhHk bohatě zastoupen a mezi nerozšířenější patří např. fytomasa a uhlí, které je stále významným zdrojem energie. Dalšími látkami s vysokým obsahem uhlíku je ropa a zemní plyn. Uhlík je součástí biogeochemického cyklu, který zahrnuje mimo jiné
fotosyntézu. Rovnovážný stav mezi mineralizací a fotosyntézou zajišťuje téměř stabilní koncentraci C02 v atmosféře (0,02-0,04 % obj.). Na Zemi také existuje dynamická rovnováha mezi nerozpuštěným CaC03 v oceánech, rozpuštěným C03 v mořských vodách a atmosferickým C02:
C02+ 2 HjO ->   H^CO, + HjO ->    HC03 + I^CT
Sloučeniny uhlíku
Jsou velmi rozmanité. Uhlík může vázat prvky buď elektronegativní nebo elektropozitřvní, případně elektronegativní a elektropozhivní současně, např. CH,, CC14, CHCL,. Atomy uhlíku se mohou na sebe vzájemně vázat za vzniku stabilních vazeb, dále tvoří také dlouhé řetězce, které mohou být rozvětvené nebo cyklické. Podstatnou většinou těchto sloučenin se zabývá organická chemie. Předmětem anorganické chemie jsou nejednodušší sloučeniny uhlíku, např. oxidy, kyselina uhličitá a od ní odvozené soli, kyanovodík, kyselina thiokyanatá, karbidy, halogenidy a sulfidy.
Oxid uhelnatý CO je bezbarvý plyn, bez chuti a bez zápachu. Je lehčí než vzduch, hoří modrým plamenem. Reakce je saně exotermická:
2 CO + Q2 ->   2 CQ2 AH - -565 kJ.mof1 j
Oxid uhelnatý je prudce jedovatý, ve vodě málo rozpustný a je těžko 2kapalmtelný. Vazba C-O je velmi pevná, molekula má malý dipólový moment Větší eletoonegatřvita kyslíku je eliminována vznikem parciálního náboje pn vytvoření dativní vazby. Oxid uhelnatý se připravuje působením koncentrované kyseliny sírové na kyselinu mravenčí;
HCOOH + HjSO, ->    CO + H30*+HS04-
.______
Oxid uhelnatý je součástí plynných paliv (svítiplyn, vodní plyn, generátorový plyn). Do ovzduší se uvolňuje nedokonalým spalováním. Je nežádoucí složkou výfukových a kouřových plynů. CO tvoří s rozptýlenými těžkými kovy komplexy, karbonyly, např. se železem poskytuje pentakarbonyl železa [Fe(CO)j].
Oxid uhličitý CO, je bezbarvý, nehořlavý plyn, slabě nakyslého zápachu, je těžší než vzduch (p = 1,9768 g.cm" při 0°C). Hromadí se ve spodních částech uzavřených prostorů (např. kvasné sklepy, hluboké studny, stáje). Oxid uhličitý není toxický, je nedýchatelný. Snadno se rozpouští ve vodě (l objem vody roqjustí 171 objemů COjpň 0"C a 101 kPa). Lehce se zkapalní na bezbarvou kapalinu. Jeho kritická teplota je 3ľC a kritický tlak 7,15 MPa. Tubv C02 (suchý led) je bílá látka, která za normálního tlaku sublimuje (netaje).
Uhlík (Carboneum) C
Vlastnosti
Čistý uhlík známe ve dvou základních alotropických modifikacích, jako diamant a tuhu (grafit). Diamant je neobyčejně tvrdý (použŕvá se k opracoval í ocelových předmětů a k řezání skla), tvoří bezbarvé nebo slabě zabarvené krystaly s krychlovou soustavou. V krystalové mřížce jsou jednotlivé atomy spojeny kovalentní vazbou. Centrální atom je obklopen čtyřmi dalšími atomy uhlíku, které směřují do vrcholů pravidelného tetraedru (obr. 11.5). Diamant nevede elektrický proud, neboť všechny elektrony jsou pevně vázány vazbou C-C. Po stránce chemické je velmi odolný, nereaguje ani s kyselinami (pokud nemají silné oxidační vlastnosti)ani se zásadami. Při vysokých teplotách (800°C) a v atmosféře kyslíku shoří naCOr Silným zahříváním (1800-2000°C) za nepřístupu vzduchu se diamant mění na grafit.
Grafit krystaluje v šesterečné soustavě, má menší tvrdost, slabý kovový lesk, snadno se otírá a na omak je mastný. Dobře vede elektrický proud. Uvedené vlastnosti jsou důsledkem vrstevnaté mřížky (obr. 11.6). Ve vrstvách jsou atomy uspořádány v pravidelných šestiúhelnících se systémem delokalizovaných 7t-orbitalů.
Obrázek 11.5: Mřížka diamantu (at=0,356 nm)
Diamant a tuha jsou krystalické formy. Černý uhlík je podstatou látek, které vznikají nedokonalým spalováním (saze) nebo rozkladem organických sloučenin při vyšší teplotě (koks, dřevené uhlí). Vlastnosti těchto látek jsou do jisté míry ovlivněny výchozí surovinou a způsobem přeměny. I když se hovoří o amoifiaím uhlíku, ve skutečnosti jde o mikroskopické formy grafitu. Některé formy uhlíku se značně rozptýlenou strukturou se vyznačují velkou adsorpční schopností (aktivní uhlí). Černý uhlík za zvýšené
Obrázek 11.6 : Mřížka grafitu (a - 0,246 nm, c= 0,669 nm)
teploty snadno reaguje s kyslíkem za uvolnění energie. Reakce je silně exotermická:
C + O, -»   C02 AH = -394 kJ.moľ1