ugljik

ugljik, kemijski simbol C (carboneum), kemijski element atomskoga broja 6, relativne atomske mase 12,011. Nalazi se u 14. skupini periodnoga sustava elemenata. U prirodi postoje dva stabilna izotopa ugljika: izotop ugljik-12 (¹²C) koji je u ukupnom stabilnom ugljiku u prirodi zastupljen masenim udjelom 98,9% i izotop ugljik-13 (¹³C) koji je u ukupnom stabilnom ugljiku u prirodi zastupljen masenim udjelom 1,1%. Ugljikov izotop ¹²C ima važnu ulogu u kemiji i fizici jer služi kao međunarodni standard za definiranje atomske jedinice mase. Zbog razlike u omjeru izotopa ¹⁶O i ¹⁸O u zraku i u vodi, vrijednost 1/16 mase atoma kisikova izotopa ¹⁶O koja se rabila u prvoj polovici XX. st. bila je neprikladna kao atomska jedinica mase, pa je zaključkom Međunarodne unije za čistu i primijenjenu kemiju ugljikov izotop ¹²C izabran 1961. kao standard kojemu je relativna atomska masa 12,000 i prema kojem se iskazuju relativne atomske mase svih ostalih kemijskih elemenata. Također, prema njemu se prije redefiniranja osnovnih mjernih jedinica 2019. iskazivala mjerna jedinica količine tvari mol kao količina tvari koja sadržava broj istovjetnih jedinki jednak broju atoma u 0,012 kg ugljikova izotopa ¹²C. Ugljikov izotop ¹³C važan je kao izotopni obilježivač i rabi se za određivanje strukture organskih spojeva nuklearnom magnetskom rezonancijom. Osim stabilnih, ugljik ima i 15 radioaktivnih izotopa, među kojima prirodni radioizotop ugljik-14 (¹⁴C) ima najdulje vrijeme poluraspada (5730 godina), a otkrili su ga kemičari Martin Kamen (1913–2002) i Samuel Ruben (1913–43). Rabi se za utvrđivanje starosti organskih tvari, za što je zaslužan kemičar Willard Frank Libby (→ radioizotopno datiranje), i za praćenje kemijskih reakcija. Primjerice, ugrađuje se u organske molekule kao izotopni obilježivač, osobito u aminokiseline i ugljikohidrate pri istraživanju metabolizma, te je bio ključan za otkrivanje Calvin-Bensonova ciklusa u procesu fotosinteze i ključnih enzimskih reakcija u biosintezi proteina, za što su zaslužni Paul Charles Zamecnik (1912–2009) i Mahlon Hoagland (1921–2009).

Ugljik je nemetal bez okusa i mirisa. Pojavljuje se u više alotropskih modifikacija. Kristalne su modifikacije kubični dijamant i heksagonski grafit te fuleren; postoji i kao tzv. amorfni ugljik (u prirodnom ugljenu te kao drveni, životinjski i aktivni ugljen, čađa, koks), koji je, iako s manjom uređenošću strukture, djelomično mikrokristalične građe. Alotropske modifikacije ugljika grafit i dijamant dokazali su 1772. Antoine Laurent de Lavoisier, 1797. engleski kemičar Smithson Tennant (1761–1815) te 1779. Carl Wilhelm Scheele. Fuleren su otkrili 1985. Harold Walter Kroto, Richard Errett Smalley i Robert Floyd Curl, za što su dobili Nobelovu nagradu za kemiju 1996. Gustoća dijamanta je 3,15 do 3,53 g/cm³, grafita 1,9 do 2,3 g/cm^3, a amorfnog ugljika 1,8 do 2,1 g/cm^3. Ugljik se na povišenim temperaturama spaja s kisikom u monoksid i dioksid, reagira sa sumporom, silicijem i borom, a kao snažno redukcijsko sredstvo lako reducira mnoge metalne okside, čime se dobivaju metali.

Smatra se da se približno 99,86% ugljika na Zemlji nalazi u obliku minerala. Ugljik kao elementarna tvar u najvećim je količinama raspršen u škriljevcima, a u vezanom stanju u karbonatima sedimentnih stijena (vapnencu, dolomitu itd.). Znatne su količine ugljika u ugljikovu dioksidu (CO₂) koji se nalazi u atmosferi, otopljen u moru te u ostatcima organizama iz prošlih geoloških razdoblja (ugljen, nafta). Ima ga i u bitumenu, asfaltu i prirodnome plinu. Iako svi živi organizmi sadržavaju ugljik, u njima je vezan tek vrlo malen dio ukupnog ugljika na Zemlji (0,001%), a od toga manje od 1% u životinjskima. Nađen je u meteoritima, a niz termonuklearnih reakcija, u kojima ugljik sudjeluje kao katalizator, izvor je energije nekih zvijezda (→ nukleosinteza). Ugljik je temelj za dobivanje mnogobrojnih industrijskih proizvoda. Tako se grafit rabi kao materijal za izradbu lonaca i kalupa za taljenje i lijevanje metala, za izradbu olovaka, lučnih svjetiljki, četkica i kontakata za električne motore te elektroda u električnim uređajima, za toplinsku izolaciju u raketnoj tehnici, kao termički otporno mazivo, a suspendiran u ulju dobro je sredstvo za zaštitu od korozije i za podmazivanje. Ultračisti grafit rabi se kao moderator neutrona u nuklearnim reaktorima, za proizvodnju ugljičnih vlakana koja nalaze široku primjenu (kompozitni materijali za zrakoplovnu industriju, svemirske letjelice i sl.). Pirolitički grafit nastaje toplinskim raspadom ugljikovodika te izdvajanjem ugljika iz plinske faze, a primjenjuje se za izradbu grafitnih peći za elektrotermičku atomizaciju (rastavljanje na sitnije dijelove, primjerice na atome) tvari na visokoj temperaturi, a aktivni ugljen u filtrima za pročišćivanje zraka i vode, u medicini i dr. Prozirni dijamanti ubrajaju se u najskuplje drago kamenje, a nečisti dijamanti rabe se za brušenje, bušenje, poliranje i obradbu tvrdoga materijala (dragoga kamenja, porculana, stakla, metala i dr.). Približno 77% ukupne proizvodnje dijamanata primjenjuje se u industriji. Čelik, slitina željeza s ugljikom, najvažniji je konstrukcijski materijal u gotovo svim područjima tehnike.

U stvaranju kemijskih spojeva ugljik zauzima među kemijskim elementima posebno mjesto. Zbog svoje jedinstvene elektronske konfiguracije ugljikovi atomi imaju sposobnost raznolikoga međusobnog povezivanja, kao i s atomima mnogobrojnih drugih kemijskih elemenata, ponajprije s atomima vodika, kisika, dušika, sumpora i fosfora, stvarajući molekule od nekoliko atoma do više tisuća atoma povezanih u dugolančane, ravne ili razgranate, ili pak prstenaste i umrežene strukture. Tako ugljik može stvarati golem broj različitih spojeva (s iznimkom vodika, više nego svi ostali kemijski elementi zajedno). Osim razmjerno malena broja spojeva koji se svrstavaju u anorganske, svi se ostali ugljikovi spojevi nazivaju organskima jer je ugljik temeljni kemijski element žive tvari, od organskih su spojeva građeni sav živi svijet (→ fotosinteza), hrana potrebna za održavanje života (→ metabolizam) i tvari za osnovne ljudske potrebe poput odjeće i goriva. Zbog toga se kemija ugljikovih spojeva, kao organska kemija, iz praktičnih razloga izdvaja iz kemije svih ostalih elemenata i njihovih spojeva. (→ ugljikovodici)

U ugljikove anorganske spojeve svrstavaju se oni kemijski spojevi koji su po svojim svojstvima bliži spojevima kojima se bavi anorganska kemija. Ugljična kiselina, H₂CO₃, slaba je kiselina koja nastaje uvođenjem ugljikova dioksida u vodu prema reakciji CO₂ + H₂O ⇆ H₂CO₃, ali je vrlo nestabilna, jer je ravnoteža te reakcije pomaknuta gotovo sasvim ulijevo. U odsutnosti vode, stabilna je u čvrstom i u plinovitom stanju. Njezine su soli karbonati i hidrogenkarbonati. Važni su ugljikovi spojevi s kisikom i ugljikov monoksid, ugljikov dioksid i karbonili, a od ostalih spojeva karbidi, cijanidi (→ cijanovodik) i malobrojni spojevi sa sumporom (npr. ugljikov disulfid, CS₂).