Ugljik i njegovi spojevi

Ugljik je nemetal koji se u prirodi pojavljuje u elementarnom stanju i u spojevima. Glavni je sastavni dio svih živih organizma pa se organska kemija naziva i kemijom ugljikovih spojeva. Osnovni je građevni element ugljikohidrata, masti i proteina, tih za život neophodnih spojeva koje u organizam unosimo hranom. Nalazimo ga u zraku kao CO₂, a u obliku karbonata gradi stijene. U elementarnom stanju ugljik se javlja u nekoliko alotropskih modifikacija a najpoznatije su grafit i dijamant. Alotropske modifikacije ili alotropi su tvari izgrađene od atoma istog kemijskog elementa, no zbog različitog načina povezivanja atoma, ti elementi imaju različitu strukturu i svojstva.

Grafitne olovke svakodnevno koristimo u školi. Što bismo na temelju iskustva mogli reći o njihovim svojstvima?

Grafitom možemo pisati po površini papira jer ostavlja crni trag. Ako po tom tragu prstom povučemo nekoliko poteza razmazat ćemo kristaliće grafita.

Zašto? Pogledajmo strukturu grafita. U grafitu ugljikovi atomi čine slojeve koji leže jedan na drugom. Unutar jednog sloja svaki je atom ugljika povezan jakim vezama s tri susjedna atoma. No veze između slojeva su slabe, zato po papiru zaostaju slojevi grafita. Razmazujući ih prstom, slojevi kližu jedan preko drugoga te dobivamo sve tanje i tanje slojeve grafita. Grafit je dobar vodič topline i električne struje.

Po čemu se dijamant razlikuje od grafita? Iako je dijamant, kao i grafit, izgrađen samo od ugljikovih atoma, razlika je u načinu njihovog povezivanja. U dijamantu je svaki atom ugljika čvrstom vezom povezan s još četiri susjedna atoma, stvarajući tako čvrstu trodimenzionalnu mrežu. To dijamant čini najtvrđim poznatim materijalom. Zbog svoje se tvrdoće koristi za izradu alata za brušenje, rezanje i bušenje, a koristi se i kao ukrasno drago kamenje. Ima visoko talište (3500 °C) i za razliku od grafita ne provodi električnu struju.

Npr. pritisnemo li dijamantni rezač na komad stakla i povučemo crtu, na staklu će ostati urezani trag. Dakle, dijamant je tvrđi od stakla.

Gorenjem ugljika na zraku mogu nastati dva oksida. Ako ugljik gori uz nedovoljan pristup zraka nastaje plinoviti ugljikov monoksid, kojega prema valenciji ugljika nazivamo i ugljikov(II) oksid. To prikazujemo kemijskom jednadžbom: 2C + O₂ → 2CO

Ugljikov monoksid je otrovan plin, poznat pod nazivom «krvni otrov». Nastaje gorenjem ugljika, ili tvari koje sadrže ugljik, uz nedovoljan pristup zraka. Trovanja ugljikovim monoksidom česta su u domaćinstvima s neispravnim dimnjacima. Kako je to plin bez boje i mirisa teško ga je osjetiti, a prvi znak trovanja je glavobolja. Najbolje što možemo učiniti ako osjetimo glavobolju u tako grijanim prostorima je da otvorimo prozore i napravimo snažan propuh, i zatim prekontroliramo odvode i instalacije.

Ako ugljik gori uz dovoljan pristup zraka, nastat će plinoviti ugljikov dioksid tj. ugljikov(IV) oksid. Jednadžba reakcije glasi: C + O₂ → CO₂

Ugljikov dioksid nastaje i drugim reakcijama. Neke od njih ćemo izvesti kako bismo ispitali svojstva ugljikovog dioksida.

Ugljikov dioksid možemo dobiti reakcijom mramora i razrijeđene klorovodične kiseline. Pokus ćemo izvesti tako da složimo aparaturu kojom ćemo plinoviti ugljikov dioksid uvoditi kroz cijevčicu u visoku staklenu čašu. Prvo u tikvicu stavimo nekoliko komadića mramora. Zatim na nju stavimo lijevak za dokapavanje u koji ulijemo razrijeđenu klorovodičnu kiselinu. Šibicom zapalimo rođendansku svjećicu nataknutu na metalni držač i spustimo ga na dno prazne visoke čaše. Svjećica gori u čaši. Zatim otvorimo pipac na lijevku i pustimo da kiselina kapa na mramor. U tikvici nastaju mjehurići tj. plin – ugljikov dioksid, prema jednadžbi kemijske reakcije:

CaCO₃ + 2 HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Nastali ugljikov dioksid istiskuje zrak iz tikvice i izlazi kroz staklenu cijevčicu u čašu. Primjećujemo da se nakon nekog vremena svjećica u čaši ugasila. Što sve možemo zaključiti o ugljikovom dioksidu na temelju opažanja? Da je plin bez boje i teži od zraka. Kada je ugljikov dioksid istisnuo sav kisik iz čaše, svjećica se ugasila. To je dokaz da ugljikov dioksid ne podržava gorenje, pa se koristi za gašenje požara.

Uvedimo sada staklenom cjevčicom ugljikov dioksid u otopinu indikatora metiloranža. Vodena otopina metiloranža je žute boje. Uvođenjem ugljikovog dioksida primjećujemo da otopina poprima narančastu boju, što znači da nastaje kiselina. Provjerimo tu tvrdnju još s plavim lakmus papirom. Plavi je lakmus papir pocrvenio, što dokazuje da je otopina kisela. Koja kiselina nastaje uvođenjem ugljikovog dioksida u vodu? Otapanjem ugljikovog dioksida u vodi nastaje mala količina slabe ugljične kiseline, prema reakciji:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Ugljična kiselina nalazi se u gaziranim pićima i daje im kiselkast okus.

Pogledajmo jednostavniji pokus dobivanja ugljikovog dioksida. Stavimo u visoku čašu dvije velike žlice sode bikarbone i na to ulijemo alkoholnog octa. Što opažamo? Sadržaj čaše se zapjenio od nastalog ugljikovog dioksida. Ako u čašu unesemo upaljenu svjećicu, vidimo da se plamen svjećice ugasi. Već smo prije utvrdili da CO₂ ne podržava gorenje. Ugljikovog dioksida ima u podrumima za vrijeme vrenja mošta, u bunarima i nekim špiljama. Prilikom ulaska u te prostore uvijek je potrebno svijećom provjeriti razinu ugljikovog dioksida, da ne bi došlo do gušenja.

Još jedan način dokazivanja prisutnosti ugljikovog dioksida je pomoću vapnene vode. Vapnena voda je bistra otopina kalcijeva hidroksida u vodi, tj. kalcijeva lužina. Stavimo malo vapnene vode u epruvetu u koju upuhujemo zrak iz pluća pomoću slamčice. Primjećujemo da se bistra vapnena voda zamutila. Ugljikov dioksid koji izdišemo reagira s kalcijevim hidroksidom iz vapnene vode te nastaje netopljivi kalcijev karbonat.

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O