Uhlík

Uhlík (lat. "Carboneum") je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, jeho značka je C, má 4 väzby a jeho protónové číslo je 6. Uhlík tvorí základný stavebný kameň všetkých organických zlúčenín a tým aj všetkých živých organizmov. Zlúčeniny uhlíka sú jedným zo základov svetovej ekonomiky, fosílne palivá ako zemný plyn a uhlie slúžia ako energetický zdroj na výrobu elektriny a vykurovanie, produkty spracovania ropy (benzín, nafta, ťažké oleje) sú nevyhnutné pre pohon spaľovacích motorov. Výrobky chemického priemyslu na báze uhlíka sú súčasťou každodenného života či ide o plastické hmoty, umelé vlákna, náterové hmoty alebo liečivá.
Formy uhlíka.
Elementárny uhlík.
Uhlík je typický nekovový prvok, ktorý sa ako minerál v elementárnom stave vyskytuje v prírode v troch základných modifikáciách a v posledných približne 20. rokoch bola laboratórne vytvorená štvrtá modifikácia:
Anorganické zlúčeniny.
V anorganických chemických zlúčeninách sa uhlík vyskytuje s oxidačným číslom +II, +IV a -I.
Organické zlúčeniny.
Organické zlúčeniny sú chemické látky, ktoré obsahujú väzbu C-C. Každý atóm uhlíka je schopný vytvárať celkom 4 tieto tzv. jednoduché väzby, okrem toho aj väzbu dvojitú C=C a väzbu trojitú. Môžu preto vznikať dlhé reťazce a molekuly s rozvetvenou alebo cyklickou štruktúrou. Spolu s uhlíkom sa v týchto molekulách viažu aj ďalšie, najmä biogénne, prvky - vodík, kyslík, dusík, síra a fosfor, ale môžu to byť aj halogény, kremík a mnoho ďalších. Vďaka tomu existuje veľa kombinácií; v súčasnosti poznáme viac ako 10 miliónov organických zlúčenín.
Práve vďaka tejto obrovskej rozmanitosti sa organické látky stali základným stavebným kameňom živej hmoty. Každá bunka živého organizmu obsahuje desiatky tisíc chemických zlúčenín, ktoré majú tú jedinú spoločnú vlastnosť, že ich základný skelet je vytvorený atómmi uhlíka v rôznych väzobných stavoch.
"Nasledujúci výpočet typov organických zlúčenín zďaleka nie je úplný a mal by iba informovať o najčastejšie používaných a vyrábaných typoch organických látok:"
Výskyt a využitie.
Grafit.
Grafit je minerál, ktorý sa nachádza na mnohých miestach na Zemi. Jedny z najväčších grafitových baní sa nachádzajú v USA (Texas a štát New York), Mexiku, Indii a Rusku. Grafit je napr. aj zložkou sadzí, ktoré vznikajú spaľovaním fosílnych palív. Je však v čiastočkách tak malých, že sadza má skôr vlastnosti amorfného uhlíka.
Grafit sa priemyselne využíva najmä na výrobu ceruziek. Pritom sa najskôr spoločne s vápencom veľmi jemne pomelie a potom vylisuje do vhodného tvaru. V čistej forme, bez vápenca, sa lisuje do uhlíkov pre maliarov a grafikov.
Ďalšie významné použitie grafitu je v metalurgickom priemysle. Vzhľadom na jeho veľmi dobrú tepelnú odolnosť sa z neho vyrábajú nádoby, tzv. kokily, do ktorých sa lejú roztavené kovy a ich zliatiny. Zabráni sa tak kontaminácii roztavených kovov kovom, z ktorého by sa kokila musela vyrobiť. Z grafitu sa vyrábajú aj elektródy pre elektrolytickú výrobu hliníka z taveniny bauxitu a kryolitu alebo pri výrobe kremíka z taveniny oxidu kremičitého.
Sklový grafit.
Umelo vyrobenou formou grafitu je tzv. sklový uhlík (angl. "glassy carbon"), ktorý sa vyznačuje vysokou hustotou, nízkou pórovitosťou a veľmi dobrou chemickou a mechanickou odolnosťou. V praxi sa vyrába presne riadeným dlhodobým vysokoteplotným (pyrolitickým) rozkladom organických látok na povrchu normálneho grafitu. 
Vďaka mimoriadnym fyzikálnym a chemickým vlastnostiam sklového grafitu sa jeho praktické využitie, aj napriek jeho vysokej cene, stále rozširuje.
Diamant.
"Hlavný článok:" Diamant
Diamant je jedným z najvzácnejších a najdrahších minerálov a drahokamov. Vyskytuje sa v rôznych farebných modifikáciách, od takmer priehľadnej, až po čiernu. Pretože k vzniku diamantu je potrebný obrovský tlak a vysoké teploty, nachádzajú sa predovšetkým tam, kde žeravá magma z veľkých hĺbok vystúpila na povrch a stuhla. Náleziská s najkvalitnejšími diamantmi ležia najmä v južnej Afrike – JAR, Namíbii, Sierra Leone, ďalej v Brazílii, Rusku, Kanade a Austrálii.
Diamanty sa v súčasnosti vyrábajú aj priemyselne, aj keď zďaleka nedosahujú kvalít prírodných diamantov. Tzv. priemyselné diamanty sa preto využívajú najmä pre rôzne vrtné a rezné hlavice nástrojov, ktoré pre svoju činnosť musia mať mimoriadnu tvrdosť a odolnosť.
Prírodné diamanty slúžia už odpradávna najmä na výrobu tých najdrahších šperkov. Aby sa mohol diamant vsadiť do zlatého alebo platinového šperku, musí byť najskôr zložito a opatrne vybrúsený. K úspešnému vybrúseniu drahého a vzácneho diamantu je potrebná nielen skúsenosť, ale aj zručnosť a trpezlivosť. Strediskami brúsenia diamantov a obchodu s nimi sú belgické Antverpy a holandský Rotterdam a Amsterdam.
Fosílne palivá.
Medzi základné fosílne palivá patria uhlie, ropa a zemný plyn. Všetky tieto palivá obsahujú ako väčšinovú zložku pestrú paletu organických zlúčenín, ktoré podľa súčasných teórií vznikli dlhodobým anaeróbnym (bez prístupu vzduchu) rozkladom organickej hmoty. 
V prípade uhlia sa zdá byť prekurzorom drevo druho a treťohorných pralesov, ktoré boli zasypané nejakou náhlou lokálnou katastrofou.
Ropa a zemný plyn pochádzajú zo živočíšnych tkanív, ktoré boli pri nejakej katastrofickej udalosti prekrytí vrstvou hornín a počas miliónov nasledujúcich rokov sa, za vzniku pestrej palety zlúčenín na báze uhľovodíkov, postupne rozložili.
Všetky vyššie uvedené komodity tvoria v súčasnosti chrbtovú kosť svetovej energetiky a prevažnej časti chemického priemyslu. Najmä ropa sa v posledných rokoch javí ako kľúčová surovina pre súčasnú civilizáciu. Je jednak základnou surovinou na výrobu palív pre stále zvyšujúcu sa dopravu, ale zároveň je zrejmé, že jej celosvetové zásoby môžu byť vyčerpané v nasledujúcich niekoľkých desaťročiach. Ovládnutie lokalít s ich výskytom sa v ďalších desaťročiach môže stať zdrojom globálneho konfliktu.
Ropa aj zemný plyn sa zvyčajne vyskytujú spoločne. V súčasnosti sa hlavným zdrojom týchto surovín stala oblasť Perzského zálivu a Sibíre, ale ich nezanedbateľné množstvo sa ťaží aj šelfových vodách Severného mora, v Mexickom zálive a v juhovýchodnej Ázii. Aj náleziská v Texase doteraz poskytujú pomerne silný zdroj, ktorý však rozhodne pre potreby ekonomiky USA nestačí. 
Svetové zásoby uhlia sú výrazne väčšie ako zásoby ropy a zemného plynu. V súčasnosti sa využíva skôr ako surovina na výrobu elektrickej energie. V princípe ho možno prerobiť aj na kvapalný zdroj energie pre spaľovacie motory, ale problémom sú omnoho vyššie náklady na ťažbu, aj nutnosť komplikovanejšej a drahšej a dopravy na získanie požadovaných produktov – teda predovšetkým benzínu, motorovej nafty a ťažkých olejov.
Okrem energetického využitia nachádza uhlie využitie v metalurgii, kde po prerobení na koks slúži ako redukčné médium pri výrobe železa a podobných kovov z oxidických rúd vo vysokej peci.
Jantár.
Zvláštnu formu uhlíkatého minerálu predstavuje jantár - mineralizované zvyšky treťohornej živice staré okolo 50 miliónov rokov. Priemerné chemické zloženie jantáru bolo určené ako C10H16O. Základná farba jantáru je zlatožltá, ale môžeme nájsť aj odrody celkom priehľadné, červené, kávové aj biele.
Nachádza sa v Európe ako skamenená živica borovíc a v Strednej Amerike a Mexiku, kde ide o živicu tropickej dreviny kopálu.
Význam jantáru je najmä vo výrobe šperkov a ozdobných predmetov. Asi najvýznamnejším projektom v tomto obore bola povestná Jantárová komnata, miestnosť obložená nádhernými umelecky spracovanými jantárovými blokmi v Petrohradskom cárskom paláci. V priebehu 2. svetovej vojny nemecké okupačné vojská Jantárovú komnatu rozobrali a odviezli na neznáme miesto. Dodnes sa po tejto kultúrnej pamiatke bezvýsledne pátra.
Ďalší význam jantáru je paleontologický. V hmote jantárových nálezov sú veľmi často perfektne zachované telá treťohorného hmyzu, peľ vtedajších rastlín a ďalšie artefakty.
Zaujímavé je, že sa dodnes nepodarilo jantár vyrobiť umelo aj napriek tomu, že je dobre známe jeho chemické zloženie, aj predpokladaný postup vzniku.
Vápenec a ďalšie uhličitany.
Čistý uhličitan vápenatý CaCO3 je známy ako minerál kalcit.
Horniny na báze uhličitanu vápenatého alebo vápence sú biogénneho pôvodu, pretože vznikli prevažne z vápenatých ulít prehistorických morských živočíchov. Veľké náleziská týchto hornín sa nachádzajú v Česku, v Taliansku, Anglicku a napr. USA. Podľa prítomných prímesí majú rôznu farbu, od čisto bielej až po takmer čiernu a rôzne mechanické vlastnosti. Používajú sa preto ako obkladové a dekoračné materiály (mramor) a na výrobu bežných stavebných surovín ako pálené vápno alebo cement. Vápenec je tiež základom tzv. krasových útvarov, pri ktorých dochádza systémom zložitých rovnováh medzi uhličitanmi a hydrogénuhličitanmi vápnika a kyselinami ku vzniku nádherných prírodných útvarov v jaskyniach a podzemných priestoroch.
Uhličitan horečnatý MgCO3 nazývaný magnezit sa používa predovšetkým ako surovina na výrobu žiaruvzdorných materiálov pre výstavbu vysokých a cementárskych pecí, ako látka s veľmi veľkým trením sa využíva v športe (gymnastika, horolezectvo) a pre ľahko chemicky oddeliteľný horčík aj v zdravotníctve - ide o známe Magnézium vo forme tabliet, šumivých tabliet a prášku na perorálne užívanie. Veľké ložiská magnezitu sa nachádzajú na Slovensku, v Rakúsku, Číne a Kórei.
Oxid uhličitý.
Oxid uhličitý CO2 je bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku veľmi slabej kyseliny uhličitej. Tvorí približne 0,038 % objemu atmosféry Zeme, kam sa dostáva jednak dýchaním živých organizmov a jednak v súčasnosti stále rastúcim tempom spaľovania fosílnych palív.
Z atmosféry odčerpávajú oxid uhličitý rastliny, v ktorých s pomocou organického farbiva chlorofylu prechádza procesom nazývaným fotosyntéza. Toto farbivo je schopné využiť energiu fotónov slnečného svetla na naštartovanie značne komplikovaného reťazca chemických reakcií. Ich výsledok možno jednoducho opísať takto:
6 H2O + 6 CO2 + "E" → C6H12O6 + 6 O2
Uvedená reakcia je vcelku kľúčová pre všetok pozemský život, pretože s jej pomocou sa ku všetkým živým organizmom dostáva kyslík, ktorý je nevyhnutný pre ich dýchanie.
Zvyšujúca sa koncentrácia oxidu uhličitého je spojená s javom nazývaným skleníkový efekt, pretože molekuly CO2 intenzívne pohlcujú infračervené žiarenie odrazené od zemského povrchu a zabraňujú tak jeho vyžarovaniu do kozmického priestoru. Tým dochádza k postupnému ohrievaniu povrchu Zeme a mohlo by to viesť napr. k pomerne prudkému topeniu ľadovcov a následnému zvýšeniu hladiny svetových oceánov až o desiatky metrov.
V priemysle sa oxid uhličitý využíva napr. ako inertná atmosféra pri procesoch, pri ktorých je nutné vylúčiť prítomnosť kyslíka (napr. zváranie). Pretože oxid uhličitý nehorí, používa sa aj ako náplň niektorých typov hasiacich prístrojov.
Oxid uhličitý sa tiež nachádza v množstve nápojov; buď je ich prirodzenou zložkou (minerálne vody, šumivé vína a sekty) alebo je podstatný pre procese (alkoholové kvasenie piva, vína, destilátov) alebo sú ním sýtené umelo, kvôli konzervácii a na zlepšenie chuti (ovocné limonády, perlivé vína, niektoré minerálky).
Stlačením oxidu uhličitého vznikne pevná látka, tzv. "suchý ľad", ktorý ľahko sublimuje (vyparuje sa), pričom odoberá značné množstvo tepla z okolia a využíva sa na chladenie napr. v potravinárstve alebo naopak, ak sa nahreje, vytvára hustú hmlu použiteľnú na diskotékach, koncertoch alebo napr. vo filmovom priemysle.
Oxid uhoľnatý.
Oxid uhoľnatý CO je vysoko toxický bezfarebný plyn bez zápachu, ktorý vzniká najmä nedokonalou oxidáciou (nedokonalým horením) organických zlúčenín uhlíka.
Nachádzal sa predovšetkým ako súčasť svietiplynu, ktorý vzniká tlakovým a tepelným rozkladom uhlia. Oxid uhoľnatý v malom množstve vzniká aj pri spaľovaní benzínu, nafty a ťažkých olejov v spaľovacích motoroch. Tým sa stáva významnou súčasťou tzv. suchého smogu losangeleského typu. V posledných rokoch je tvorba CO pri prevádzke spaľovacích motorov potlačovaná použitím katalyzátorov, zvyčajne založených na kombinácií pôsobenia rôznych platinových zlúčenín na splodiny pri vysokej teplote. Pôsobením týchto katalyzátorov dochádza k takmer 100% konverzii oxidu uhoľnatého na oxid uhličitý. Malé množstvo oxidu uhoľnatého je aj v cigaretovom dyme ako dôsledok nedokonalého spaľovania tabaku a papieriku.
Medzi prírodné zdroje oxidu uhoľnatého patria napr. zemný plyn, kde sa však nachádza iba v malej koncentrácii. Je zložkou banských plynov, kde spolu s metánom spôsobuje ich mimoriadnu výbušnosť a sám o sebe je príčinou ich toxicity. 
Vysoká toxicita oxidu uhoľnatého je daná jeho schopnosťou blokovať dýchací reťazec. Molekula CO sa pritom takmer ireverzibilne naviaže na atóm železa v molekule hemoglobínu, čím znemožní železu, aby naviazalo kyslík. Tak dôjde k zablokovaniu prenosu kyslíka z pľúc do organizmu a k uduseniu.
Izotopy uhlíka a rádiokarbónová metóda datovania.
V prírode sa uhlík vyskytuje bežne vo forme dvoch stabilných izotopov:
12C, ktorý tvorí 98,9 % a 13C s priemerným výskytom 1,1 %.
Reakciou atómov dusíka 14N, prítomných vo vysokých vrstvách atmosféry, spolu s kozmickým žiarením vzniká nestabilný izotop 14C, ktorý sa rozpadá s polčasom 5 715 rokov. Pomer všetkých 3 izotopov uhlíka v atmosférickom oxide uhličitom sa tak dlhodobo udržuje na konštantnej hodnote.
Živé organizmy neustále prichádzajú do styku s atmosférickým CO2 či už formou fotosyntézy (rastliny) alebo prijímaním ich produktov – bylinožravce a následne dravce. Preto je možné tvrdiť, že pomer 14C/12C zostáva v priebehu života daného organizmu konštantný.
Po odumretí akéhokoľvek biologického tkaniva sa výmena uhlíka medzi organizmom a prostredím zastaví. Zároveň nedochádza ani ku vzniku 14C reakciou s kozmickým žiarením, pretože to je pohltené atmosférou. Obsah 14C klesá podľa zákonitostí rozpadu nestabilných atómových jadier.
Rádiokarbónová metóda datovania využíva spomenutý jav tým spôsobom, že sa v archeologickom či inom náleze pozostatku živej hmoty (zvyšky tkanív, kostí, popol…) analyzuje pomer 14C rozpadnutého na 12C. Zistený pomer potom vcelku presne (+ - 40 rokov) ukazuje na dobu zániku danej živej hmoty. Vzhľadom na uvedený polčas rozpadu uhlíka 14C je metóda optimálne použiteľná pre objekty staré od 2 do 100 tisíc rokov (avšak vzhľadom k redukcii izotopu 14C na 1/8 približne po 17 150 rokoch, je najpresnejšie meranie pri -50.000 až -60.000 rokoch). Pri hodnotení nameraných výsledkov je potrebné zobrať do úvahy aj možnosť pôsobenia rádioaktívnych žiaričov na skúmaný materiál v priebehu jeho pôsobenia na mieste nálezu, pretože tak môže dôjsť k významnému skresleniu dát.