Uhlík

Uhlík je úžasně důležitý prvek. Je pravděpodobně více molekul obsahujících
uhlík než kterýkoliv jiný prvek. Ten důvod, proč máme tolik jeho sloučenin,
je, že uhlík velmi snadno vytváří řetězce. Někdy až miliony atomů dlouhý. Vezmeme-li atomy, které formují jen
jednu nebo dvě vazby, nemohli bychom vytvořit velký počet
molekul. Když počet vazeb není omezen, můžete vytvořit látky, které jsou opravdu dlouhé. Je to něco jako rozdíl mezi náklaďákem, který uveze se štěstím jeden přívěs,
možná dva.

a vlakem, do kterého můžete zapojit
vagonů či souprav, kolik chcete. Takže můžete sestavit opravdu dlouhý vlak. A stejně tak je to i s uhlíkem. Uhlík je všude okolo nás. My jsme z uhlíku. Je ho v nás hodně, všechny ty uhlovodíky
v našem těle. Ve spoustě látek v nás a materiálech, které užíváme každý den. Popravdě většina z nás užívá uhlík každý den ve formě pohonných hmot,
abychom se dostali do práce nebo domů.

Kdyby nebyl uhlík, nemohli bychom existovat. Vy jste uhlík, já jsem uhlík. Máme kosti
z vápníku... Ale ty důležité části - naše mozky obsahují
z větší části uhlík. Obsahují dusík, kyslík a vodík také, ale
celé to stojí právě na uhlíku. Uhlík je jeden z mála prvků, které daly
vznik samostatnému odvětví chemie. Organická chemie, chemie
uhlíkatých sloučenin, je skoro úplně oddělená disciplína od
ostatních chemických oblastí.

Většina molekul, které používáme
k výrobě plastů, farmaceutických produktů, i jídla, jsou všechno uhlíkaté sloučeniny. Uhlík je nesmírně běžný prvek. Vyskytuje se v podobě mnoha alotropů,
rozličných tvarů. A tohle zde, to je dřevěné uhlí, což jsou
v podstatě jednoduché uhlíky, velmi podobné a připomínající grafit. Můžete najít kusy uhlíku jen tak se
povalující. Tady ho mám kousek, který jsem našel
na pláži, na severovýchodě Anglie.

Je to kus uhlí. Není to zcela čistý uhlík,
ale je ho tam velký podíl. A v porovnání s jinými nerosty stejné
velikosti, je docela lehký. Lidé nedávno objevili diamanty a samozřejmě
grafit, což je ta černá látka, kterou
máte v tužkách. Lidé jim říkají olověné tužky,
ale ve skutečnosti obsahují tvar uhlíku, kterému se říká grafit. Uhlík se vyskytuje jako grafit,
jako diamant a také jako buckyball nebo fulleren.

Uhlík tady, který je podobný grafitu,
je velice amorfní a snadno se pohybuje. Nasypu ho sem drobet na papír, abyste
ho mohli vidět. Můžete si všimnout, že je to velice lehký
prášek. Vidíme, že je pěkně poddajný, dá se s ním
velice snadno pracovat. To, co je skutečně vzrušující, je, že za
posledních 20 let lidé objevili nové tvary uhlíku. Tohle je mimořádné, lidé
znali uhlík již tisíce let, dokonce více, a najednou za posledních 20 let
se počet objevených druhů uhlíku ohromně rozšířil.

Mám kolegu, který je specialista
na tyhle nové druhy uhlíku. Byl jsem ho požádat o model a on
mi jich dal celý kufr. Ukážu vám ho. Takže, co tu máme. Jako první je model grafitu. Té látky, co je uprostřed tužek. A ten se skládá z vrstev kroužků,
šestiúhelníkových kroužků atomů uhlíku. V jednom je 6 atomů uhlíku.

Spolu jsou
spojeny ve vrstvy. Tady můžete vidět fialové vazby
mezi nimi. Vidíme, že nejsou moc silné, jedna
je tady dokonce ulomená. Velmi nedávno, v posledních deseti letech,
bylo zjištěno, že pomocí izolepy můžete tyto vrstvy oddělit a udělat z nich
samostatné pláty těchto atomů uhlíku. Říká se tomu grafen. Nobelova cena
za fyziku 2010 byla udělena dvěma vědcům, kteří grafen objevili. Je tady tahle struktura, kde každý
atom uhlíku je spojen se 4 dalšími. V tomhle čtyřbokém vzoru.

Tahle skupina je čtyřstěn,
jeden ve středu a čtyři okolo něj. A tohle je diamant. Je skutečně velmi silný. Jakýmkoli způsobem ho stlačíte,
je silný. Nemůžete oddělovat vrstvy diamantu
pomocí izolepy. Diamanty jsou bezbarvé. A abychom pochopili
proč, musíme pochopit, co vlastně dělá barvu barvou. Barva čehokoliv, mojí kravaty, je způsobena elektrony v molekulách nebo látce, ty pohlcují energii a přemisťují se
z jedné úrovně na další.

V diamantu jsou vazby mezi atomy
uhlíku, které využívají všechny elektrony. Ty jsou velice těsně vázány a žádný
z nich nemůžou změnit jeho energetickou hladinu. Takže nedostanete žádné pohlcení,
tedy alespoň ve spektru viditelného světla. Ale na druhou stranu grafit, jeho elektrony
jsou vázány slaběji, ve skutečnosti může vodit elektřinu. Je černý,
protože jeho elektrony pohltí každou vlnovou délku viditelného světla.
Od modré až po červenou. Takže proto vypadá černě, žádné světlo
se od něj neodráží. Tady vevnitř máme známou molekulu C60.


Jako fotbalový míč. 60 atomů uhlíku. Andrei do něj vložil malý míček, ale toho
si prozatím nevšímejte. Můžete mít takovouhle molekulu,
C60. Poprvé objevena na konci 80. let, izolovaná pak na začátku 90. let. Existuje i velice podobná molekula,
která vypadá více zploštěle, což je C70. Tyhle taky mají barvu, ale jejich barva
je odlišná. Koukněte sem. Mám dva vzorky - jeden C60 a jeden C70.
Oba dva jsou rozpuštěné v rozpouštědle, v toluenu.

Když se podíváte sem, C70 má takovou
červeno-hnědou barvu. A C60 v tomhle rozpouštědle má hezkou
barvu. Já jí říkám fialová, někteří lidé jí říkají purpurová. Zpátky ke kufříku. A tady máme konečný tvar uhlíku,
kterému se říká nanotrubice. Jsou to duté trubice tvořené šestiúhelníky. Existují dva druhy - jeden, který je
na koncích uzavřen, a tenhle, který je otevřený.

Stejně jako do košíku, můžete dovnitř
něco vložit. Poslední model je grafen. Tahle látka, kterou můžete sloupávat
z grafitu pomocí izolepy, lepící pásky. Důvod, proč to lidi tolik zajímá, je
především, že je to velice tenká látka, je jen jeden atom tlustá. Můžete atomy uhlíku zreagovat s různými
druhy molekul, můžete vytvářet velmi silné látky. Můžete vytvářet
elektroniku. Počítače z uhlíku a podobně.

Mnoho lidí si myslí, že grafen je látkou
zítřka. Tohle je jeden z Andreiových exponátů,
používá ho při výstavách na měření elektrické vodivosti. Když vezmete něco kovového, třeba
minci a přiložíte k ní dvě elektrody, můžeme vidět, že vodí
elektřinu. Všechna světýlka jsou rozsvícená
a ukazatel je na druhé straně. Má různé vzorky - tohle zde je uhlí, a tohle grafit.

Je tu stopa, tohle je fotka, a tohle je
stopa z uhlí mezi dvěma kovovými elektrodami. Můžete vidět, když sem přiložíme elektrody,
uhlí elektřinu nevede vůbec. Nicméně když vezmeme grafit
a uděláme to samé, vede elektřinu. Moc dobře ne, ale můžeme
vidět, že nějaká elektřina prochází. Na druhém listu tu má vzorek C60 a zde uhlíkových
nanotrubic. A jak vidíte, C60 také nevede elektřinu. Elektrony nemohou přeskakovat
z jedné molekuly na druhou.

Ale když se dostanete k uhlíkovým
nanotrubicím, což jsou hodně dlouhé molekuly, vedou elektřinu velice dobře. Ne tak dobře jako kov, ale skoro stejně. S poděkováním Andreiovi Khlobystovovi a
Philipu Moriartymu.