úvod
Tuha v ceruzke a diamant v prsteni, drevené uhlie na grile, bublinky v sódovke aj cukor v čaji. Všetky obsahujú uhlík. Uhlík je v každej bunke rastlín aj živočíchov, v rope, v plastoch aj v liekoch. Zlúčenín uhlíka poznáme milióny, oveľa viac ako všetkých zlúčenín bez uhlíka dokopy. V tejto lekcii spoznáš jeho rôzne podoby a zistíš, prečo sa o oxide uhličitom toľko hovorí.
teória
Uhlík, prvok života
Uhlík (latinsky carboneum, značka C) je nekov 14. skupiny periodickej tabuľky. Jeho atóm má štyri valenčné elektróny a tvorí štyri kovalentné väzby. Atómy uhlíka sa ako jediné vedia spájať samy so sebou do dlhých reťazcov a kruhov, jednoduchými, dvojitými aj trojitými väzbami. Preto uhlík tvorí nesmierne množstvo zlúčenín, ktoré študuje samostatný odbor, organická chémia.
Atóm uhlíka má konfiguráciu 1s² 2s² 2p². Pri tvorbe väzieb sa jeden elektrón 2s presunie do orbitálu 2p a vzniknú štyri nespárené elektróny, ktoré tvoria štyri väzby. Podľa počtu susedných atómov majú atómy uhlíka hybridizáciu:
| hybridizácia | väzby | tvar | príklady |
|---|---|---|---|
| sp³ | štyri jednoduché | štvorsten, 109,5° | diamant, metán CH₄ |
| sp² | dvojitá a dve jednoduché | rovinný trojuholník, 120° | tuha, grafén, etén C₂H₄ |
| sp | dve dvojité alebo trojitá a jednoduchá | lineárny, 180° | oxid uhličitý CO₂, etín C₂H₂ |
Viac vysvetľuje lekcia Hybridizácia orbitálov. Väzby medzi atómami uhlíka sú pevné a takmer nepolárne, preto sú reťazce uhlíka stále, a zároveň sa dajú pospájať s vodíkom, kyslíkom, dusíkom a ďalšími prvkami.
teória
Podoby uhlíka
Čistý uhlík existuje v niekoľkých alotropických modifikáciách, ktoré sa líšia tým, ako sú atómy navzájom pospájané:
- Diamant: každý atóm je viazaný so štyrmi susedmi do obrovskej trojrozmernej siete. Je najtvrdší prírodný materiál, priehľadný, a nevedie elektrický prúd.
- Tuha (grafit): atómy tvoria vrstvy šesťuholníkov, ktoré pri sebe držia len slabo. Tuha je mäkká, šmykľavá, sivočierna a vedie elektrický prúd.
- Grafén: jediná vrstva tuhy hrubá jeden atóm. Je takmer priehľadný, pevnejší ako oceľ a výborne vedie teplo aj prúd.
- Fulerény: guľovité molekuly, najznámejšia z nich, C₆₀, má tvar futbalovej lopty. Príbuzné sú uhlíkové nanorúrky, zvinuté vrstvy grafénu.
vyskúšaj si
Alotropy uhlíka
Model otočíš aj ťahaním myšou alebo prstom.
diamant
Každý atóm uhlíka je pevne viazaný so štyrmi susedmi a tie s ďalšími, až vznikne jeden obrovský kryštál. Preto je diamant najtvrdší prírodný materiál. Je priehľadný a nevedie elektrický prúd.
Otáčaj modely diamantu, tuhy, grafénu a fulerénu ťahaním myšou alebo prstom a všimni si, ako sú atómy pospájané. Potom priraď vlastnosti k správnej podobe uhlíka.
Uhlík tvorí aj amorfné formy bez pravidelnej štruktúry: sadze, drevené uhlie a koks. Aktívne uhlie je uhlie s obrovským vnútorným povrchom, jeden gram má povrch ako basketbalové ihrisko. Zachytáva na sebe jedy a plyny, preto je v tabletkách proti hnačke, vo filtroch plynových masiek aj v odsávačoch pár.
Za bežných podmienok je najstálejšou podobou uhlíka tuha. Diamant vzniká hlboko v Zemi pri tlaku vyše 50 000 atmosfér a teplote nad 1 000 °C a na povrch ho vynesú sopky. Na tuhu sa za bežných podmienok nemení len preto, že premena je nesmierne pomalá. Umelé diamanty sa vyrábajú z tuhy za podobného tlaku a teploty alebo sa nanášajú z plynu, dnes sa ich vyrobí viac ako prírodných.
teória
Kde sa uhlík nachádza
- Voľný uhlík: diamant a tuha sa ťažia z hornín.
- Uhlie: čierne a hnedé uhlie vzniklo za milióny rokov z pochovaných rastlín. Na hornej Nitre sa hnedé uhlie ťažilo až do roku 2023.
- Ropa a zemný plyn sú zmesi zlúčenín uhlíka s vodíkom, uhľovodíkov.
- Uhličitany: vápenec, mramor, dolomit a magnezit tvoria celé pohoria, pozri lekciu Horčík a vápnik.
- Vzduch obsahuje asi 0,04 % oxidu uhličitého a oceány v ňom majú rozpustené ešte oveľa viac.
- Živé organizmy: uhlík je v cukroch, tukoch, bielkovinách aj v DNA. Tvorí asi pätinu hmotnosti ľudského tela.
teória
Chemické vlastnosti
Za bežnej teploty je uhlík málo reaktívny, preto sa zachovali aj tisícročné kresby uhlíkom v jaskyniach. Za horúca však horí. Pri dostatku kyslíka vzniká oxid uhličitý, pri nedostatku jedovatý oxid uhoľnatý:
Aj diamant zhorí, keď ho zohrejeme na vzduchu na asi 800 °C. Uhlík je dobré redukovadlo: odoberá kyslík oxidom kovov. Takto sa koks používa vo vysokej peci pri výrobe železa a drevené uhlie používali už starovekí kováči.
teória
Oxidy uhlíka
Oxid uhličitý CO₂ je bezfarebný plyn bez zápachu, asi 1,5-krát ťažší ako vzduch. Nehorí a horenie nepodporuje, preto sa ním plnia snehové hasiace prístroje. Vydychujeme ho, vzniká pri horení aj kvasení a rastliny ho pri fotosyntéze menia na cukry. Pod tlakom sa rozpúšťa vo vode, bublinky v sódovke sú oxid uhličitý. Pri −78 °C sa mení na tuhý suchý ľad, ktorý sa neroztopí, ale rovno sublimuje.
Oxid uhličitý dokážeme vápennou vodou: zakalí ju na bielo, lebo vznikne nerozpustný uhličitan vápenatý. Horiaca trieska v ňom zhasne.
vyskúšaj si
Dôkaz plynov
V skúmavke je neznámy plyn. Urob skúšky a potom urči, ktorý plyn to je.
0 / 0- Zatiaľ žiadna skúška.
Aký je to plyn?
Najprv urob aspoň jednu skúšku.
Tlejúca trieska vzplanie len v kyslíku. Horiaca trieska štekne vo vodíku. Vápenná voda sa zakalí len oxidom uhličitým.
V skúmavke je neznámy plyn. Pomocou tlejúcej a horiacej triesky a vápennej vody urči, či je to oxid uhličitý, kyslík, vodík alebo len vzduch.
Oxid uhoľnatý CO vzniká pri nedokonalom horení, keď palivo nemá dosť kyslíka. Je bezfarebný, bez zápachu a veľmi jedovatý. Každý rok spôsobí otravy v bytoch so zle vetranými kachľami, kotlami a plynovými ohrievačmi. Chráni len pravidelná kontrola spotrebičov a hlásič oxidu uhoľnatého.
Oxid uhoľnatý sa viaže na železo v hemoglobíne asi 200-krát pevnejšie ako kyslík. Krv potom neprenáša kyslík a otrava sa prejaví bolesťou hlavy, závratmi a ospalosťou, v ťažkých prípadoch bezvedomím. Oxid uhoľnatý je zároveň silné redukovadlo, vo vysokej peci redukuje oxidy železa.
Oxid uhličitý je kyslý oxid. S vodou tvorí slabú a nestálu kyselinu uhličitú, ktorá sa hneď rozkladá späť, preto sódovka po otvorení vyprchá:
Molekula CO₂ je lineárna a nepolárna, atóm uhlíka má hybridizáciu sp. Dôkaz vápennou vodou opisuje rovnica Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O.
teória
Uhličitany
Soli kyseliny uhličitej sa volajú uhličitany a hydrogenuhličitany:
| zlúčenina | vzorec | kde ju stretneme |
|---|---|---|
| uhličitan vápenatý | CaCO₃ | vápenec, mramor, krieda, vaječné škrupiny, vodný kameň |
| uhličitan sodný (sóda) | Na₂CO₃ | výroba skla, pracie prášky |
| hydrogenuhličitan sodný (jedlá sóda) | NaHCO₃ | prášok do pečiva, šumivé tablety |
| uhličitan draselný (potaš) | K₂CO₃ | výroba skla a mydla, kedysi z popola rastlín |
Všetky uhličitany s kyselinami šumia, uvoľňuje sa oxid uhličitý. Na tom stojí šumivá tableta, ocot na vodný kameň aj prášok do pečiva: jedlá sóda v ňom s kyslou zložkou uvoľní oxid uhličitý, ktorý nakysne cesto.
Jedlá sóda sa pri pečení rozkladá aj teplom a uvoľňuje oxid uhličitý:
S kyselinami reagujú uhličitany napríklad takto: CaCO₃ + 2 HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂. Názvy uhličitanov a hydrogenuhličitanov vysvetľuje lekcia Soli kyslíkatých kyselín.
teória
Kolobeh uhlíka a skleníkový efekt
Uhlík neustále putuje medzi vzduchom, živými organizmami, pôdou, oceánmi a horninami:
- rastliny, riasy a sinice pri fotosyntéze viažu oxid uhličitý zo vzduchu do cukrov,
- dýchaním rastlín aj živočíchov a rozkladom odumretých tiel sa oxid uhličitý vracia do vzduchu,
- oceány oxid uhličitý rozpúšťajú a morské živočíchy z neho stavajú ulity a koraly z uhličitanu vápenatého,
- spaľovaním uhlia, ropy a zemného plynu vraciame do vzduchu uhlík, ktorý bol v zemi uložený milióny rokov.
Oxid uhličitý je skleníkový plyn: prepúšťa slnečné svetlo, ale zadržiava teplo, ktoré vyžaruje zohriaty zemský povrch. Prirodzený skleníkový efekt je užitočný, bez neho by na Zemi bolo v priemere asi −18 °C namiesto +15 °C. Spaľovaním fosílnych palív však koncentrácia oxidu uhličitého stúpla z asi 280 miliónin pred priemyselnou revolúciou na vyše 420 miliónin dnes. Priemerná teplota Zeme sa tým zvýšila o viac ako 1 °C a mení sa podnebie.
rozšírenie Ako uhlík určí vek múmie
Vo vzduchu vzniká neustále malé množstvo rádioaktívneho izotopu uhlíka ¹⁴C. Kozmické žiarenie v horných vrstvách atmosféry uvoľňuje neutróny, ktoré menia atómy dusíka na uhlík 14. Ten sa zlúči s kyslíkom na oxid uhličitý a rastliny ho pri fotosyntéze prijímajú spolu s bežným uhlíkom. Každý živý organizmus má preto v tele rovnaký malý podiel ¹⁴C ako vzduch.
Keď organizmus zomrie, nový uhlík už neprijíma a ¹⁴C sa v jeho tele pomaly rozpadá. Po 5 730 rokoch, jednom polčase rozpadu, z neho zostane polovica, po ďalších 5 730 rokoch štvrtina. Z toho, koľko ¹⁴C zostalo v kosti, dreve alebo látke, sa dá určiť, ako dávno organizmus zomrel. Metóda funguje asi do 50 000 rokov, potom je ¹⁴C príliš málo.
Rádiouhlíkové datovanie vymyslel americký chemik Willard Libby, ktorý zaň v roku 1960 dostal Nobelovu cenu. Takto sa zistilo, že ľadový muž Ötzi, ktorého našli v Alpách, zomrel pred asi 5 300 rokmi.
teória
Časté chyby
- „Diamant a tuha sú rôzne prvky.“ Obe sú čistý uhlík. Líšia sa len tým, ako sú atómy pospájané.
- „Oxid uhličitý je jedovatý ako oxid uhoľnatý.“ Oxid uhličitý dýchame bežne. Nebezpečný je až vo veľkej koncentrácii, keď vytlačí kyslík, napríklad v pivnici pri kvasení vína. Oxid uhoľnatý je jedovatý už v malom množstve.
- „Skleníkový efekt je vždy škodlivý.“ Prirodzený skleníkový efekt udržiava na Zemi teplotu vhodnú pre život. Problémom je jeho zosilnenie oxidom uhličitým zo spaľovania fosílnych palív.
- „Rastliny berú uhlík z pôdy.“ Uhlík v dreve a listoch pochádza z oxidu uhličitého zo vzduchu, ktorý rastlina viaže pri fotosyntéze.
- „Diamant je večný a nezničiteľný.“ Diamant je síce najtvrdší, ale krehký, pri údere sa môže rozštiepiť. Pri 800 °C na vzduchu zhorí na oxid uhličitý.
Kyslík, s ktorým uhlík horí, opisuje lekcia Kyslík. V ďalšej lekcii Kremík spoznáš suseda uhlíka v 14. skupine, z ktorého sú piesok, sklo aj počítačové čipy.