U prirodi se javlja usamorodnoj formi u oblikudijamanta igrafita, a mnogo više u obliku brojnih hemijskih spojeva (karbonata,ugljik-dioksida, prirodnenafte i plina,uglja i drugih). Zbog svoje posebne elektronske konfiguracije (polupopunjena L-ljuska), posjeduje mogućnost stvaranja izuzetno kompleksnih molekula, i među svim hemijskim elementima pokazuje najveću raznolikost u stvaranju brojnih hemijskih spojeva. Spojevi ugljika čine molekularnu osnovu za cjelokupni živi svijet na Zemlji.
René A. F. de Réaumur je 1772. pokazao da seželjezo prevodi učelik apsorpcijom suspstance, za koju se danas zna da je ugljik.[8] Godine 1772,Antoine Lavoisier je dokazao da je dijamant forma ugljika, spaljivanjem uzorka ugljika i dijamanta, pri čemu je dokazao da ne nastaje voda kao produkt i da i jedan i drugi oslobađaju istu količinuugljik-dioksida po gramu.Carl Wilhelm Scheele je dokazao da je grafit, za koji se mislilo da je oblik olova, u stvari oblik ugljika.[9] Godine 1786, francuski naučniciClaude Louis Berthollet,Gaspard Monge i C. A. Vandermonde pokazali su da je ova supstanca ugljik.[10] Oni su predložili imekarbon za ovaj element (latinski:carbonum). Antoine Lavoisier uveo je ugljik kao hemijski element u svojoj knjizi iz 1789. godine.[9]
Pri normalnom pritisku i temperaturama ispod 4000K grafit je termodinamički stabilnija modifikacija ugljika, što se vidi na faznom dijagramu. Zbog visoke energije aktiviranja i dijamant je stabilan na sobnoj temperaturi, a tek na temperaturi iznad 500°C uočljivo se pretvara u grafit. Obrnuta transformacija iz grafita u dijamant je moguća uzpritisak od najmanje 20.000bara (2GPa). Za dovoljno brzu reakciju, temperatura bi trebala biti iznad 1500°C a pritisak oko 60.000 bara što odgovara faznom dijagramu.
Ugljik ima najveću otpornost na visoke temperature od svih poznatih materijala. Ne topi se pri normalnom pritisku, negosublimira pri temperaturi od 3915K (3642°C),[6] bez prethodnog gubljenja čvrstoće.Trojna tačka ugljika je na 10,8±0,2 MPa i 4600±300 K.[11][12]
Ugljik je dijamagnetičan. Pirolitički izdvojen grafit ima visokuanizotropiju u magnetskom susceptibilitetu (paralelno: = −85·10−6, vodoravno: = −450·10−6),[7], nasuprot njemu dijamant je izotropan ( = −22·10−6).
Grafit (jedna od najmekših supstanci) ima lisnatu strukturu. Svaki ugljikov atom je povezan s tri druga ugljikova atoma. To znači da je prisutna sp2-hibridizacija i tri hibrida leže u jednoj ravni. Preostali π-elektron pravi dvostruku vezu, te je prisutnarezonanca. Kod grafita je zbog toga svaka od tri veze nešto pojačana, pa je onstabilniji od dijamanta za energiju rezonance.[13] Razlike u fizikalnim osobinama ove dvije modifikacije su ekstremne. Dijamant je jedan od najtvrđih minerala, dok je grafit mehka supstanca. Dijamant je najbolji provodnik toplote, dok je grafit izolator. Dijamant je izrazito transparentan, a grafit neproziran. Grafit je provodnikelektrične struje, dok je dijamant izolator. Osim grafita i dijamanta poznate su još neke alotropske modifikacije, kao npr.fulereni.
Lonsdaleit, nazvan također iheksagonalni dijamant, jeste jedna veoma rijetka modifikacija dijamanta. Ime je dobio poirskoj kristalografinji Kathleen Lonsdale, a pronađen je u Barringerovom krateru uArizoni.[14] On nastaje kada se grafit izloži određenim ekstremnim uslovima, tj. veoma visokom pritisku i temperaturi koji se dešavaju naprimjer pri udarumeteora iliasteroida. Pri tome se zadržava heksagonalni karakter kristalne strukture grafita, ali za razliku od običnog grafita svaki atom ugljika se veže kovalentnom vezom sa još četiri atoma.[15]
Postoji više oblika elementarnog ugljika, pod zajedničkim nazivomamorfni ugljik. Rentgenskom analizom je utvrđeno da čestice amorfnog ugljika sadrže grafitnu strukturu, pa zbog toga amorfni ugljik nije posebna alotropska modifikacija. Glavne vrste amorfnog ugljika su:aktivni ugalj, mineralniugalj,koks,čađ.[13]
Istraživači na Univerzitetu Virginia Commonwealth i univerzitetima uJapanu i Kini sačinili su u augustu 2014. novu strukturnu varijantu ugljika nazvanupentagrafen. On se sastoji iz veoma tankih slojeva čistog ugljika koji ima jedinstvenu strukturu, inspiriranu pentagonalnom shemom koja podsjeća na popločane ulicu uKairu. Ovaj novootkriveni materijal je dinamički, termalno i mehanički stabilan. Istraživanja su pokazala da kada se pentagrafen umota u obliku valjka, takve nanocijevi posjeduju poluprovodničke osobine, bez obzira na njihovuhiralnost. Očekuje se da će ovaj materijal naći široku primjenu u nanoelektronici i nanomehanici.[16]
Ugljik ima dva stabilnaizotopa:12C i13C. Izotop12C je daleko uobičajeniji u prirodi i čini 98,9% prirodnog ugljika, dok na izotop13C otpada 1,1%. Po definiciji izotop12C je osnova za jedinicu atomske mase. Izotop13C se može detektirati uNMR spektroskopskim ispitivanjima, jer ima drugačiji magnetski momenat od12C.
Osim ova dva stabilna izotopa postoji još nekoliko nestabilnih. Najpoznatiji nestabilni izotop ugljika je14C koji imavrijeme poluraspada od 5730 godina. On nastaje prirodnim raspadanjem14N u gornjim slojevimaatmosfere.
Organski materijal, koji učestvuje u ugljikovom ciklusu u prirodi, ima isti udio14C u odnosu na stabilne izotope kao i ugljik u atmosferi. Nakon završetka razmjene materija, naprimjer pri opadanju lišća sa drveta, ovaj odnos se postepeno smanjuje zbog radioaktivnog raspada. Mjerenjem odnosa količina izotopa14C i stabilnih izotopa moguće je tačno procijeniti starost predmeta koji je nastao od organskog materijala, što je poznato kaometoda datiranja ugljikom C-14 a našla je primjenu uarheologiji.
Ciklus ugljika u prirodi: Crni brojevi pokazuju koliko je ugljika uskladišteno u različitim ležištima, u milijardama tona ("GtC" znači gigatone ugljika, oko 2004.). Ljubičasti brojevi pokazuju koliko se ugljika svake godine kreće između ležišta. Sedimenti, kako su definirani na ovom dijagramu, ne uključuju ≈70 miliona GtC karbonatnih stijena i kerogena.
Ugljik je esencijalni element ubiosferi, te po masenom udjelu drugi najrasprostranjeniji element nakonkisika u živim organizmima. Sva živa tkiva su sastavljena izorganskih spojeva ugljika. Međutim, geološki gledano on se ne ubraja u najrasprostranjenije elemente. Ugljik je zastupljen uzemljinoj kori u količini od 0,087%.[1] On se nalazi u neživoj prirodi pretežno u obliku spojeva, ali i slobodan u oblikudijamanta igrafita. Glavna nalazišta dijamanata nalaze se u Africi (Južnoafrička Republika iKongo) iRusiji. Oni se često mogu naći u vulkanskim stijenama poputkimberlita. Grafit se javlja relativno rijetko u metamorfnim stijenama bogatim ugljikom. Najznačajnija nalazišta su u Indiji i Kini.
Ugljik se u prirodi najčešće može naći u obliku neorganskih karbonatnih stijena (oko 2,8 · 1016t). Karbonatne stijene su veoma rasprostranjene na Zemlji i ponegdje formiraju i cijele planine. Jedna od najpoznatijih primjera planina sastavljenih iz ovih stijena suDolomiti u Italiji. Najvažniji karbonatni minerali sukalcij-karbonat CaCO3 (sa brojnim modifikacijama:krečnjak,kreda,mramor),kalcij magnezij-karbonat CaCO3 · MgCO3 (dolomit),željezo(II)-karbonat FeCO3 icink-karbonat ZnCO3.
Poznati spojevi ugljika sufosilna gorivaugalj,nafta izemni plin. Oni nisu čisti ugljikovi spojevi, nego mješavine mnogih različitih organskih spojeva. Oni nastaju pretvaranjem biljnih (ugalj) i životinjskih (nafta i plin) ostataka pod velikim pritiskom. Najveća nalazišta uglja nalaze se u SAD, Kini i Rusiji, a u Bosni i Hercegovini veća nalazišta uglja se nalaze u okoliniBanovića,Zenice,Kaknja,Sanskog Mosta,Breze,Živinica,Doboja (Stanari),Ugljevika,Gacka i drugih mjesta. Najvažnije rezerve nafte se nalaze na Arapskom poluostrvu (Irak,Saudijska Arabija,Kuvajt), Meksičkom zalivu i Sjevernom moru. Nešto manje poznata su nalazišta čvrstogmetan hidrata u velikim dubinama.
Ugljik se nalazi u atmosferi u oblikuugljik-dioksida (ugljik(IV) oksida). On je sastavni diozraka. U zraku ima prosječni udio od oko 0,04%. Ugljik-dioksid nastaje pri sagorijevanju spojeva koji sadrže ugljik, prilikomdisanja svih živih bića, vulkanskom aktivnošću i putemfotosinteze biljaka. Čak i umorskoj vodi rastvoreno je oko 0,01% CO2 (po masenom udjelu).
U pogledu količine najveći dio ugljika nalazi se u sastavu stijena (litosfera). Svi ostali oblici ugljika čine samo oko 0,1% ukupne količine ugljika na Zemlji.
Stvaranje jezgra atoma ugljika zahtijeva gotovo simultani trostruki sudar alfa čestica (jezgarahelija) unutar središta ogromne zvijezdegiganta ili supergiganta, u procesu poznatim pod nazivomtrostruki alfa proces, kao proizvod daljnjih reakcija nuklearne fuzije helija sa vodonikom ili drugom jezgrom helija stvara se izotoplitija Li-5 iberilija Be-8, respektivno, a oba su vrlo nestabilni i gotovo odmah se raspadaju nazad u manja jezgra.[17] Ovo se dešava u uslovima temperature iznad 100 megakelvina i koncentracije helija koja se brzo širi i hladi što nije bilo slučaj u ranom svemiru, tako da ne postoje dokazi da su se značajne količine ugljika kreirale tokomVelikog praska. Umjesto toga, u unutrašnjosti zvijezda u horizontalnoj ravni H-R dijagrama transformiraju se tri jezgra atoma helija u ugljik pomoću ovog trostrukog alfa procesa.[18] Da bi ugljik bio dostupan za formiranje života kakvog danas znamo, ovaj ugljik mora biti raširen u svemir kao prašina nakon eksplozijesupernova, kao dio materijala od kojeg se kasnije formira druga i treća generacija zvjezdanih sistema koje imaju prisutne planete formirane od takve prašine.[19]Sunčev sistem je jedan zvjezdani sistem treće generacije. Drugi mehanizam fuzije kojeg pogone zvijezde jeCNO ciklus, u kojem ugljik djeluje kaokatalizator omogućavajući odvijanje reakcije.
Rotacijska tranzicija različitih izotopskih oblika ugljik-monoksida (naprimjer12CO,13CO i C18O) se može otkriti u submilimetarskom rasponu talasnih dužina i koristi se u proučavanju formiranja novih zvijezda u molekularnim oblacima.[20]
Ugljik je element koji poslijevodika može graditi najveći broj poznatih spojeva među svim elementima (vodik je na prvom mjestu, jer većina spojeva ugljika također sadrži i vodik). Posebnost ugljika je da može praviti duge lance i prstenove molekula sa samim sobom kao i s drugim elementima, a u molekulama može se spajati i dvostrukom i trostrukom vezom koristeći π-orbitale. Prilikom stvaranja višestrukih veza ugljiku preostaje i jedan slobodan elektron, koji može dalje reagirati, za razliku od takvih veza kod kisika i dušika. To znači da se otvaraju mogućnosti za dalje reakcije i formiranje spojeva. Zbog svoje srednje snažneelektronegativnosti ima izuzetno dobre mogućnosti spajanja bilo sa elektropozitivnim kao i sa elektronegativnim elementima. U prirodnim organskim i neorganskim spojevima nalazi se u oksidacijskim stanjima u cijelom rasponu od -IV do +IV.
Spojevi ugljika se tradicionalno ubrajaju uorgansku hemiju, uz samo nekoliko izuzetaka. Ova grana hemije ponekad se naziva ihemija ugljika. Organska hemija obuhvata, zbog posebnih sposobnosti ugljika, da gradi duge molekulske lance i kovalentne veze sa drugim atomima, više spojeva nego cijelaneorganska hemija. Ibiohemija je također dio organske ugljikove hemije. Među najjednostavnije organske spojeve ubrajaju se alkanimetan ietan.
Samo relativno malehni broj spojeva ugljika se tradicionalno ubraja u neorganske spojeve, među njima količinski najvažniji spojevi sa kisikom:
karbidi; spojevi ugljika tipa ExCy, u kojima je ugljik elektronegativniji dio molekule. Mnogi metali mogu graditi karbide, a koji su djelimično izuzetno tvrdi i pogodni za izradu alata za rezanje (naprimjervolfram-karbid)
ugljik(II)-oksid (CO, ugljik-monoksid), vrlo otrovni plin, koji djeluje kao jako redukciono sredstvo i igra značajnu ulogu u industrijskom topljenju metala (naprimjerželjeza)
ugljik-dioksid (CO2, ugljik(IV)-oksid) je staklenički plin koji se otpušta u velikim količinama sagorijevanjem fosilnih goriva (uglja, nafte i zemnog plina). Otpuštaju ga i većina živih bića u procesu disanja, a za biljke je neophodan za procesfotosinteze. Ugljik-dioksid čini oko 0,038% Zemljine atmosfere, a procjenjuje se da je prije industrijske ere njegova koncentracija u atmosferi iznosila oko 0,028%.
ugljična kiselina (H2CO3) je metastabilni proizvod sastavljen od vode i u vodi otopljenog CO2; srednje jaka kiselina, ali se zbog neprestanog prelaska između ugljične kiseline i otopljenog CO2, najčešće se obuhvata zajedno sa ugljik-dioksidom.
Hidrogenkarbonat ili bikarbonat E+ HCO3−, čiji je najpoznatiji predstavniknatrij hidrogen karbonat, šire poznat i pod trgovačkim nazivomsoda bikarbona.
Karbonati E2+ CO32− su dvovalentne soli ugljične kiseline. Dva najpoznatija karbonata su natrij karbonat (sa trivijalnim imenomsoda), važna sirovina za proizvodnju stakla ikalcij-karbonat koji se može izdvojiti iz školjki, oklopa puževa i slično, a gradi i kamene korale. Tokom Zemljine geneze kalcij karbonat koji se taložio i drugim procesima sakupljao od školjki i sličnih životinja te danas su od njega građene cijele planine. Kalcij karbonat je važan građevinski materijal.
Spojevi ugljika i sumpora, među kojima je najpoznatiji spojugljik-disulfid (CS2), koji je vrlo otrovna tekućina.
Spojevi ugljika i dušika, poputcijanida, čiji je najpoznatiji predstavnikkalij-cijanid, vrlo snažni otrov koji blokira disanje čovjeka. Mnogi drugi cijanidi su također otrovni za čovjeka.
12Harry H. Binder (1999).Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag.ISBN3-7776-0736-3.
↑Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen:Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). u: Pure and Applied Chemistry. 2010, str. 1,doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14
↑Horst Kuchling (2007).Taschenbuch der Physik (17izd.). Leipzig: Fachbuchverlag.ISBN9783446217607.
1234David R. Lide (Ed.):CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. izd. (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, str. 4-8, 135
12Simon MD, Geim AK (2000):Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets. Journal of Applied Physics 87, str.6200–6204doi:10.1063/1.372654
↑R-A Ferchault de Réaumur (1722).L'art de convertir le fer forgé en acier, et l'art d'adoucir le fer fondu, ou de faire des ouvrages de fer fondu aussi finis que le fer forgé (English translation from 1956). Paris, Chicago.
↑Péter Németh, Laurence A. J. Garvie, Toshihiro Aoki, Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky, Peter R. Buseck,Lonsdaleite is faulted and twinned cubic diamond and does not exist as a discrete material, Nature Communications 5, Article number: 5447, objavljeno 20. novembra 2014,doi:10.1038/ncomms6447
↑Shunhong Zhanga, Jian Zhouc, Qian Wanga, Xiaoshuang Chend, Yoshiyuki Kawazoef, Puru Jenac:Penta-graphene: A new carbon allotrope, PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015., 2. februar 2015.,doi:10.1073/pnas.1416591112
↑Paolo Strazzolini, Alberto Gambi, Angelo G. Giumanini, Hrvoj Vancik (1998).The reaction between ethanedioyl (oxalyl) dihalides and Ag2C2O4: a route to Staudinger’s elusive ethanedioic (oxalic) acid anhydride. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 (16): 2553–2558doi:10.1039/a803430c
