Ugljenik

Ugljenik

Ugljenik je hemijski element koji je poznat od davnina, još iz perioda praistorije. Naziv carboneum potiče od latinske reči i označava ugalj.

Ugljenik (C) je nemetal i nalazi se u IVa (14.) grupi i 2. periodi u Periodnom sistemu elemenata.  Podsetimo se određivanja broja elementarnih čestica u atomu ugljenika:

A=12 (maseni broj)

Z=6 (redni ili atomski broj)

N(p⁺) = N(e^-) = Z = 6

N(n⁰) = A – N(p⁺) = 12-6 = 6

Slika 1. Atom ugljenika (šematski prikaz)

  

Atom ugljenika ima četiri valentna elektrona i teži da postigne stabilnu konfiguraciju njemu najbližeg plemenitog (inertnog) gasa, a to je neon. Zbog toga atomi ugljenika formiraju zajedničke elektronske parove i grade molekule sa velikim brojem atoma. Atomi ugljenika u molekulu ugljenika mogu imati različit prostorni raspored, to jest, ugljenik se pojavljuje u vidu tri alotropske modifikacije: grafit, dijamant i fuleren (fudbalen). Fuleren je otkriven 1996. godine i sadrži 60 atoma ugljenika. Struktura mu je mnogougaona, sadrži 12 petougaonika i 20 šestougaonika. Podseća na fudbalsku loptu, otuda mu i drugi naziv fudbalen. 

Slika 2. Alotropske modifikacije ugljenika

Slika 3. Model fulerena C60

Nalaženje u prirodi i dobijanje ugljenika

Ugljenik se u Zemljinoj kori (15. po redu) može pronaći u elementranom obliku, ali ulazi i u sastva različitih vrsta ugljeva (lignit, kameni ugalj, mrki ugalj...) i stena. Kako je ugljenik biogeni element ima ga u svim živim bićima. Ugljenik je drugi po zastupljenosti u humanom organizmu, posle kiseonika. 

Slika 4. Ciklus ugljenika u prirodi

Fizičke osobine (svojstva) ugljenika

Grafit je alotropska modifikacija ugljenika, tamnosive boje, mekan i dobar provodnik toplote i elektriciteta. Za razliku od grafita, dijamant je bezbojan, velike tvrdoće i ne provodi elektricitet.

Slika 5. Dijamant

Slika 6. Grafit 

Hemijske osobine (svojstva) ugljenika

Ugljenik reaguje sa kiseonikom i može da nagradi dva oksida u zavisnosti od količine kiseonika koja je upotrebljena za sagorevanje. Nepotpunim sagorevanjem ugljenika nastaje ugljenik (II) – oksid ili ugljen – monoksid.

2C + O₂ → 2CO

To je gas, bez boje, mirisa i ukusa, lakši od vazduha i veoma otrovan (smatra se krvnim otrovom jer se vezuje za Fe iz hemoglobina). U vodi je praktično nerastvoran. Ima ga u izduvnim gasovima automobila, u dimu cigareta, kao i u dimu koji proizvode fabrike pri korišćenju fosilnih goriva.

Potpunim sagorevanjem ugljenika nastaje drugi oksid, a to je ugljenik (IV) – oksid ili ugljen – dioksid. Ugljenik (IV) –oksid je glavni reaktant u procesu fotosinteze, a nastaje procesom disanja, kao i sagorevanjem fosilnih goriva.

C + O₂ → CO₂

2CO + O₂ → 2CO₂

Povećana potrošnja fosilnih goriva i krčenje šuma dovode do povećanja koncentracije ugljen – dioksida u atmosferi. Na taj način u atmosferi se praktično formira sloj molekula ovog gasa koji upijaju toplotno zračenje, čime nastaje efekat staklene bašte. O ovom fenomenu će te učiti na časovima biologije.

Slika 7. Efekat staklene bašte

U laboratoriji se može dobiti reakcijom kalcijum – karbonata i razblažene hlorovodonične kiseline,  a prisustvo ovog gasa se može dokazati zamućivanjem krečne vode:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Pri normalnim uslovima, ugljen – dioksid je gas, bez boje, mirisa i ukusa, teži od vazduha i nije toksičan. U  vodi se dobro ratvara i reaguje sa njom gardeći nestabilnu i slabu ugljenu (karbonatnu) kiselinu.

CO₂ + H₂O↔H₂CO₃

Slika 8. CO2

a)      Ostala jedinjenja ugljenika

Karbidi su jedinjenja ugljenika sa metalima ili sa silicijumom. Najpoznatiji je kalcijum – karbid, formule CaC₂.(Više o karbidima na časovima dodatne nastave)

Cijanidi su jedinjenja koja se mogu smatrati solima slabe cijanovodonične ili cijanidne kiseline, HCN. (Više o cijanidima na časovima dodatne nastave)

Primena ugljenika

Grafit se koristi za izradu elektroda, grafitnih olovaka i posuda za topljenje metala.

Dijamant se osim kao ukras korisiti za sečenje i brušenje stakla, u stomatologiji....

Ugljen – dioksid se primenjuje u aparatima za gašenje požara, za pravljenje gaziranih napitaka, za konzerviranje hrane, kao i za stvaranje veštačke magle.