Ogljík (izpeljano iz oglje) je kemični element s simbolom C in atomskim številom 6. Element je nekovina in tetravalenten – štirje prosti elektroni kovalentne kemične vezi. Spada v 14. skupino periodnega sistema. Ogljik predstavlja le približno 0,025 odstotka zemeljske skorje. Trije izotopi so prisotni v naravi, C in C sta stabilna, medtem ko je C radionuklid, ki razpada z razpolovno dobo približno 5.730 let. Ogljik je eden redkih elementov, ki so jih poznali že v antiki.
Ogljik je 15. najbolj razširjeni element v zemeljski skorji in četrti najbolj razširjeni element v vesolju po masi za vodikom, helijem in kisikom. Pogostnost ogljika, edinstvena raznolikost njegovih organskih spojin in nenavadna sposobnost tvoriti polimere pri temperaturah, ki jih pogosto najdemo na Zemlji, omogočajo temu elementu, da je osnova vsega znanega življenja. Po kisiku je drugi masni element v človeškem telesu (približno 18,5 %).
Atomi ogljika se lahko med seboj vežejo na različne načine, kar ima za posledico različne alotrope ogljika. Najbolj znani alotropi so grafit, diamant, grafen in buckminsterfullereni. Fizične lastnosti ogljika se zelo razlikujejo glede na alotropno obliko. Grafit je na primer neprozoren in črn, diamant pa bister in visoko prozoren. Grafit je po eni strani dovolj mehak, da na papirju zapusti sled (od tod tudi njegovo ime iz grškega glagola "γράφειν", kar pomeni »pisati«), diamant po drugi strani pa je najtrši naravni material, ki ga poznamo. Grafit je dober električni vodnik, medtem ko ima diamant nizko električno prevodnost. V normalnih pogojih imajo diamant, ogljikove nanocevke in grafen najvišjo toplotno prevodnost od vseh znanih materialov. Vsi ogljikovi alotropi so v normalnih pogojih trdne snovi, pri tem je grafit najbolj termodinamično stabilna oblika pri standardni temperaturi in tlaku. So kemično odporni in za reakcijo s kisikom zahtevajo visoko temperaturo.
Najpogostejše oksidacijsko stanje ogljika v anorganskih spojinah je +4, medtem ko +2 najdemo v ogljikovem monoksidu in karbonilnih kompleksih prehodnih kovin. Največji viri anorganskega ogljika so apnenci, dolomiti in ogljikov dioksid, vendar je velike količine najti v organskih nahajališčih premoga, šote, nafte in metanskih klatratov. Ogljik tvori veliko število spojin, več kot kateri koli drug element – opisanih je skoraj deset milijonov ogljikovih spojin, kar pa je le majhen del teoretično možnih spojin v standardnih pogojih. Zaradi tega so ogljik pogosto imenovali »kralj elementov«.
Značilnosti levo|sličica| Teoretično predvideni fazni diagram ogljika Med alotrope ogljika spadata grafit, ena najmehkejših znanih snovi, in diamant, najtrša snov v naravi. Z lahkoto se veže z drugimi majhnimi atomi, vključno z drugimi atomi ogljika, in lahko tvori več stabilnih kovalentnih vezi z ustreznimi večvalentnimi atomi. Znano je, da ogljik tvori skoraj deset milijonov spojin, kar je velika večina vseh kemičnih spojin, kar jih poznamo. Ogljik ima tudi najvišjo sublimacijsko točko med vsemi elementi. Pri atmosferskem tlaku nima tališča, saj je njegova trojna točka in , tako da sublimira pri približno . Grafit je v običajnih pogojih veliko bolj reaktiven kot diamant, čeprav je bolj termodinamično stabilen, saj je njegov delokalizirani sistem pi veliko bolj občutljiv na napade. Grafit lahko na primer v vroči koncentrirani dušikovi kislini v standardnih pogojih oksidira v melitinsko kislino, C6(CO2H)6, ki ohranja šesterokotne enote grafita, hkrati pa razbije večjo strukturo.Greenwood and Earnshaw, pp. 289–292.
Ogljik sublimira v ogljikovem loku, ki ima temperaturo približno 5800 K (5.530 °C ali 9.980 °F). Tako ostaja ogljik ne glede na svojo alotropno obliko trden pri višjih temperaturah kot kovine z najvišjimi tališči, kot sta volfram ali renij. Čeprav je termodinamično nagnjen k oksidaciji, se ogljik učinkoviteje upira oksidaciji kot na primer železo in baker, ki sta pri sobni temperaturi šibka reducenta.
Ogljik je šesti element, v osnovnem stanju ima elektronsko konfiguracijo 1s22s22p2, štirje zunanji elektroni so pri tem valenčni elektroni. Prve štiri ionizacijske energije, 1086,5, 2352,6, 4620,5 in 6222,7 kJ / mol, so veliko višje kot pri težjih elementih skupine 14. Elektronegativnost ogljika je 2,5, bistveno višja od težjih elementov skupine 14 (1,8–1,9), vendar blizu večini bližnjih nekovin, pa tudi nekaterih prehodnih kovin druge in tretje vrste. Za kovalentne polmere ogljika se običajno navaja 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C = C) in 60,3 pm (C≡C), čeprav se lahko razlikujejo glede na koordinacijsko število in na kaj je ogljik vezan. Na splošno se kovalentni radij zmanjšuje z nižjim koordinacijskim številom in višjim redom vezi.Greenwood and Earnshaw, pp. 276–8.
Ogljikove spojine so osnova vsega znanega življenja na Zemlji in ogljikov in dušikov krogotok zagotavljata del energije, ki jo dajejo Sonce in druge zvezde. Čeprav tvori izjemno raznolikost spojin, je večina oblik ogljika v običajnih pogojih razmeroma nereaktivna. Pri standardni temperaturi in tlaku se upira vsem, razen najmočnejšim oksidantom. Ne reagira ne z žveplovo kislino, ne s klorovodikovo kislino, tudi ne s klorom in nobeno alkalijo. Pri povišanih temperaturah ogljik reagira s kisikom in tvori ogljikove okside, pri tem ropa kisik iz kovinskih oksidov, da pride do nastanka elementarne kovine. Ta eksotermna reakcija se uporablja v železarski in jeklarski industriji za taljenje železa in za nadzor vsebnosti ogljika v jeklu :
+ 4 C → 3 Fe + 4 CO
Ogljikov monoksid se lahko reciklira in uporabi za dodatnop taljenje železa:
+ 4 CO → 3 Fe + 4
z žveplom, da nastane ogljikov disulfid in pa s paro v reakciji premog-plin:
C + HO → CO + H
Ogljik se z nekaterimi kovinami pri visokih temperaturah tvori kovinske karbide, kot je železov karbid z imenom cementit v jeklu in volframov karbid, ki se pogosto uporablja kot abraziv in za izdelavo trdih konic za rezalno orodje.
Sistem ogljikovih alotropov ima skrajnostni razponi: Grafit je eden najmehkejših znanih materialov. Sintetični nanokristalni diamant je najtrši material. Grafit je zelo dobro mazivo, ki kaže supermazljivost. Diamant je vrhunski abraziv. Grafit je prevodnik električne energije. Diamant je odličen električni izolator in ima med vsemi poznanimi materiali največje prebojno električno polje Nekatere oblike grafita se uporabljajo za toplotno izolacijo (npr. za protipožarno zaščito in toplotne ščite), nekatere druge oblike pa so dobri toplotni vodniki. Diamant je najbolj znan naravni prevodnik toplote Grafit je neprozoren. Diamant je visoko prozoren. Grafit kristalizira v heksagonalnem sistemu. Diamant kristalizira v kubičnem sistemu. Amorfni ogljik je popolnoma izotropen. Ogljikove nanocevke so med najbolj anizotropnimi materiali, kar jih poznamo.
Alotropi Atomski ogljik je zelo kratkotrajna vrsta, tako da se ogljik stabilizira v različnih alotropih, to je večatomskih strukturah z različnimi molekularnimi konfiguracijami. Trije razmeroma dobro znani alotropi ogljika so amorfni ogljik, grafit in diamant. Nekoč veljajo za eksotične, fulereni se danes pogosto sintetizirajo in uporabljajo v raziskavah; vključujejo buckyballs, ogljikove nanocevke, ogljikove nanobrstiče in nanovlakna. Odkritih je bilo tudi več drugih eksotičnih alotrop, kot so lonsdaleit, stekleni ogljik, ogljikova nano-pena in linearni acetilenski ogljik (karbin).
Grafen je dvodimenzionalna folija ogljika z atomi, razporejenimi v šesterokotno mrežo. Grafen zglčeda spada med najmočnejše med doslej preizkušenimi materiali. To mu daje veliko uporabno vrednost v elektronski industriji, kot sestavni del elektronskih komponent, pri razvoju nosilnih elementov za organske prikazovalnike ter pri razvoju gibkih mobilnih telefonov, kakor tudi pri razvoju modernih letal. Lahko se uporablja tudi za varno shranjevanje vodika za uporabo v vodikovem motorju v avtomobilih. levo|sličica| Velik vzorec steklastega ogljika Amorfna oblika je nabor ogljikovih atomov v nekristaliziranem, nepravilnem, steklastem stanju, brez kristalne makrostrukture. Kot prah je glavna sestavina snovi, kot so oglje, svetilke in saje ter aktivno oglje. Pri normalnih tlakih ima ogljik obliko grafita, pri katerem je vsak atom trigonalno vezan na tri druge v ravnini, sestavljeni iz spojenih šesterokotnih obročev, podobno kot pri aromatskih ogljikovodikih. Nastalo omrežje je dvodimenzionalno in nastali ravni listi so zloženi in ohlapno povezani s šibkimi van der Waalsovimi silami. To daje grafitu mehkobo in lastnosti cepljenja (listi enostavno zdrsnejo drug mimo drugega). Zaradi delokalizacije enega od zunanjih elektronov vsakega atoma, da tvori π-oblak, grafit prevaja elektriko, vendar le v ravnini vsake kovalentno vezane pločevine. Posledica tega je električna prevodnost pod večino kovin. Delokalizacija je tudi vzrok za energijsko stabilnost grafita v primerjavi z diamantom pri sobni temperaturi. sličica| Nekateri alotropi ogljika: a) diamant ; b) grafit ; c) lonsdaleit ; d – f) fulereni (C , C , C ); g) amorfni ogljik ; h) ogljikova nanocevka Pri zelo visokih tlakih ogljik tvori bolj kompakten alotrop, diamant, ki ima skoraj dvakrat večjo gostoto kot grafit. Tu je vsak atom tetraedrsko povezan s štirimi drugimi in tvori tridimenzionalno mrežo nagubanih šesterokotnih atomskih obročev. Diamant ima enako kubično strukturo kot silicij in germanij, zaradi trdnosti vezi ogljik-ogljik pa je najtrša snov v naravi, merjena z odpornostjo na praske. V nasprotju s splošnim prepričanjem, da so diamanti »večni«, so termodinamično nestabilni (Δ fG° (diamant, 298 K) = 2,9 kJ / mol ) v normalnih pogojih (298 K, 10 5 Pa) in se pretvarjajo v grafit. Zaradi visoke aktivacijske energijske pregrade je prehod v grafit pri običajni temperaturi tako počasen, da ga ni mogoče opaziti. Spodnji levi kot faznega diagrama za ogljik ni bil eksperimentalno pregledan. Čeprav je računska študija z uporabo metod teoretične funkcionalne gostote prišla do zaključka, da s in diamant postane stabilnejši od grafita za približno 1,1 kJ / mol, novejše in dokončne eksperimentalne in računske študije kažejo, da je grafit stabilnejši od diamanta za , brez uporabljenega tlaka, za 2,7 kJ / mol pri T = 0 K in 3.2 kJ / mol pri T = 298.15 K. V nekaterih pogojih ogljik kristalizira kot lonsdaleit, heksagonalna kristalna mreža z vsemi atomi vezanimi kovalentno in z lastnostmi, ki so podobne lastnostim diamanta.
Fulereni so sintetična kristalna tvorba z grafitom podobno strukturo, toda namesto ploskih šesterokotnih celic so nekatere celice, iz katerih nastajajo fulereni, lahko peterokotniki, neravninski šesterokotniki ali celo sedmerokotniki ogljikovih atomov. Listi se tako zvijejo v krogle, elipse ali valje. Lastnosti fulerenov (razdeljene na skupine buckyballs, bucky cevke in nano brstiče) še niso v celoti analizirane in predstavljajo intenzivno področje raziskav nanomaterialov. Za imena kot sta fuleren in buckyball je bil boter Richard Buckminster Fuller, popularizator geodetskih kupol, ki spominjajo na strukturo fulerenov. sličica| Komet C / 2014 Q2 (Lovejoy) obdan z žarečimi ogljikovimi hlapi Ogljikova nano-pena, odkrita 1997, je feromagneten alotrop, odkrit leta 1997. Sestavljajo jo skupine ogljikovih atomov nizke gostote, povezane v ohlapno tridimenzionalno mrežo, v kateri so atomi trigonalno povezani v šest- in sedemčlenske obroče. Z gostoto približno 2 kg/m spada med najlažje trdnine. Podobno vsebuje tudi steklen ogljik velik delež zaprte poroznosti vendar v nasprotju z običajnim grafitom grafitne plasti niso zložene kot strani v knjigi, temveč imajo bolj naključno razporeditev. Linearni acetilenski ogljik ima kemično strukturo −(C:::C)n-. Ogljik je pri tej modifikaciji linearen s sp orbitalno hibridizacijo, kot polimer z izmeničnimi enojnimi in trojnimi vezmi. Ta karbin je zelo zanimiv za nanotehnologijo, saj je njegov Youngov modul 40-krat večji od najtršega znanega materiala – diamanta.