Oxidy uhlíku

Oxidy uhlíku jsou chemické sloučeniny obsahující pouze atomy uhlíku a kyslíku. Nejjednoduššími a zároveň nejrozšířenějšími zástupci této skupiny jsou oxid uhelnatý (CO) a oxid uhličitý (CO2); je známa i řada dalších, stabilních nebo metastabilních, jako například suboxid uhlíku (C3O2) a anhydrid kyseliny mellitové (C12O9).

Většina dalších oxidů uhlíku byla připravena po roce 1960. Některé z nich jsou za pokojové teploty stálé, jiné metastabilní nebo stálé jen za nízkých teplot, kdy se při zahřátí rozkládají na jednodušší oxidy. +more Řada těchto oxidů je nestabilních a vyskytují se pouze jako meziprodukty chemických reakcí, nebo jsou tak reaktivní, že je lze zachytit jen matricovou izolací.

Popsány jsou také oxid grafenu a jiné stabilní polymerní oxidy uhlíku.

Přehled

Oxid uhličitý (CO2) je široce rozšířen v přírodě, vytváří se dýcháním, spalováním látek obsahujících uhlík, a kvašením. Pod různými názvy je znám od 17. +more století.

Oxid uhelnatý vzniká nedokonalým spalováním a byl využíván (i když ještě nebyl znám jako látka) od starověku při výrobě železa. Podobně jako oxid uhličitý jej alchymisté a chemici zkoumali již ve středověku. +more Jeho složení zjistil v roce William Cruikshank.

Suboxid uhlíku objevil Benjamin Brodie v roce 1873, získal jej průchodem elektrického proudu oxidem uhličitým.

Anhydrid kyseliny mellitové (C12O9) poprvé připravili Justus Liebig a Friedrich Wöhler v roce 1830 při výzkumu melitu, ale složení bylo určeno až roku 1913. Bugge (1914), Chemie: En neues Kohenoxyd. +more Review of Meyer and Steiner's discovery of C12O9. Naturwissenschaftliche Wochenschrift, volume 13/29, issue 12, 22 March 1914, p. 188. [https://archive. org/stream/naturwissenschaf29deut#page/187/mode/1up].

V roce 1859 se objevil pátý známý oxid uhlíku, nazvaný oxid grafitu, obsahující uhlík a kyslík v různých poměrech mezi 2:1 a 3:1; ale jeho struktura zůstala po několik let neznámá. Tento oxid má využití v nanotechnologiích.

K nestabilním nebo metastabilním oxidům patří například radikálový monooxid diuhlíku (:C=C=O), trioxid uhlíku (CO3), tetroxid uhlíku (CO4), pentoxid uhlíku (CO5), hexoxid uhlíku (CO6) a 1,2-dioxetandion (C2O4). Některé z těchto reaktivních oxidů byly rotační spektroskopií nalezeny v molekulárních mezihvězdných mračnech.

Mnoho hypotetických oxidů uhlíku bylo předměty teoretických studií, jako příklady lze uvést oxalanhydrid (C2O3), ethylendion (C2O2) a další lineární nebo cyklické polymery oxidu uhelnatého (-CO-)n (polyketony), a polymery oxidu uhličitého (-CO2-)n, jako je dimer 1,3-dioxetanedion (C2O4).

Struktura

Atomy uhlíku jsou obvykle čtyřvazné a kyslík bývá dvojvazný. Zatímco uhlík se může vázat do libovolně dlouhých řetězců, tak řetězce obsahující tři nebo více atomů kyslíku jsou vzácné; popsané elektricky neutrální oxidy uhlíku tak zpravidla obsahují jeden nebo více atomů uhlíku vytvářející řetězce (které mohou být cyklické, dokonce i aromatické) zakončené oxidovými (-O-, =O) nebo peroxidovými (-O-O-) skupinami.

V některých oxidech, jako je diradikál C2O (:C=C=O), se vyskytují uhlíky s nižší vazností; tyto sloučeniny bývají ale příliš reaktivní, aby mohly být izolovány. Ztráta nebo získání elektronů může vést k jednovaznému záporně nabitému kyslíku (-O−), trojvaznému kladně nabitému kyslíku (≡O+), nebo trojvaznému záporně nabitému uhlíku (≡C−). +more Trojvazný uhlík i kyslík se vyskytují v oxidu uhelnatém, −C≡O+.

Linární dioxidy

Jedna ze skupin oxidů uhlíku má obecný vzorec CnO2, O=(C=)nO, tedy lineární řetězec uhlíkových atomů s kyslíky na obou koncích. Patří sem: * CO2 (O=C=O), oxid uhličitý. +more * C2O2 (O=C=C=O), velmi nestabilní ethylendion. * C3O2 (O=C=C=C=O), dioxid triuhlíku neboli suboxid uhlíku. * C4O2 (O=C=C=C=C=O), dioxid tetrauhlíku, také nazývaný buta-1,2,3-trien-1,4-dionGünther Maier, Hans Peter Reisenauer, Heinz Balli, Willy Brandt, Rudolf Janoschek (1990): C4O2 (1,2,3-Butatriene-1,4-dione), the First Dioxide of Carbon with an Even Number of C Atoms Angewandte Chemie (International Edition in English), volume 29, issue 8, pages 905-908 * C5O2 or O=C=C=C=C=C=O, dioxid pentauhlíku, stálý v roztoku za pokojové teploty a čistý do −90 °C.

Některé vyšší členy této řady, například sloučeniny s n = 7, a n = 17, 19, a 21, se podařilo identifikovat ve stopových množstvích jako plyny o nízkých tlacích a/nebo v matricích za nízkých teplot.

Lineární monoxidy

Další skupinou jsou lineární monoxidy uhlíku, CnO. První člen této řady, oxid uhelnatý (CO), je jedinou takovou látkou, která je v čistém stavu za pokojové teploty stálá. +more Fotolýza lineárních dioxidů v kryogenních matricích vyvolává odštěpování CO, čímž vznikají detekovatelná množství monoxidů se sudým počtem uhlíků, jako jsou C2O, C4O, a C6O. Byly vytvořeny i molekuly s n až 9, a to elektrickými výboji ve směsi plynného C3O2 a argonu. CO, C2O a C4O byly nalezeny v mezihvězdném prostoru.

Při sudém n molekuly pravděpodobně zaujímají tripletové stavy podobné kumulenům, jejichž atomy jsou propojeny dvojnými vazbami a první atom uhlíku má nezaplněný orbital; obecný vzorec takových sloučenin je :(C=)n=O. Jestliže má n lichou hodnotu, tak triplet rezonuje se singletem a vzniká molekula podobná acetylenu, která je polární e záporným nábojem na koncovém uhlíku a kladným na koncovém kyslíku; takové molekuly odpovídají obecnému vzorci −(C≡C−)(n−1)/2C≡O+. +more Takto vypadá i oxid uhelnatý: jeho převažující podobou je −C≡O+.

Radialenové cyklické polyketony

Radialenové oxidy uhlíku mají vzorec (CO)n. Lze je považovat za cyklické polymery oxidu uhelnatého, nebo n-násobné ketony n-uhlíkatých cykloalkanů; za první sloučeninu v této řadě lze považovat samotný oxid uhelnatý (CO). +more Teoretické studie naznačují, že ethylendion (O=C=C=O) a cyklopropantrion (C3O3) nemohou existovat. Následující tři sloučeniny - cyklobutantetron, cyklopentanpenton, a cyclohexanhexon - jsou nestabilní, tak byly vytvořeny pouze v malých množstvích.

Anionty odvozené od těchto oxidů jsou poměrně stálé, některé byly objeveny již v 19. století. +more Patří sem * C2O22−, acetylendiolát, * C3O32−, deltát, * C4O42−, squarát, * C5Ob=5|p=2−, krokonát a * C6Ob=6|p=2−, rodizonát.

Cyklický oxid C6O6 také vytváří stabilní anionty, tetrahydroxy-1,4-benzochinon (C6Ob=6|p=4−) a benzenhexol (C6Ob=6|p=6−), Aromaticita těchto aniontů byla zkoumána v několika studiích.

Nové oxidy

Od 60. let 20. +more století bylo připraveno několik dalších stabilních a metastabilních oxidů uhlíku: * C10O8, dianhydrid kyseliny benzochinontetrakarboxylové * C6O6, dianhydrid kyseliny ethentetrakarboxylové, stabilní izomer cyklohexanhexonu * C12O12 )také C6(C2O4)3), hexahydroxybenzentrisoxalát; stabilní jako rozpuštěný v tetrahydrofuranu * C10O10 (C6O2(C2O4)2), tetrahydroxy-1,4-benzochinonbisoxalát ; stabilní jako rozpuštěný v tetrahydrofuranu * C8O8 (C6O2(CO3)2), tetrahydroxy-1,4-benzochinonbiskarbonát; při 45-53 °C se rozkládá. * C9O9 (C6(CO3)3), hexahydroxybenzentriskarbonát; při 45-53 °C se rozkládá. * C24O6, cyklický trimer biradikálu 3,4-dialkynyl-3-cyklobuten-1,2-dionu -C≡C-(C4O2)-C≡C-; * C32O8, tetramer 3,4-dialkynyl-3-cyklobutene-1,2-dionu * C4O6, dioxantetron (dimer oxalanhydridu); při −30 °C stabilní v diethyletherovém roztoku, za teploty 0 °C se rozkládá. * C12O6, hexaoxotricyklobutabenzen.

Mnoho dalších oxidů bylo zkoumáno teoreticky, přičemž se některé, jako například karbonáty a oxaláty tetrahydroxy-1,2-benzochinonu a kyseliny rodizonové, krokonové, kvadrátové a deltové, ukázaly jako pravděpodobně stálé.

Polymerní oxidy uhlíku

Suboxid uhlíku se za pokojové teploty samovolně polymerizuje, vzniklý polymer má poměr počtu uhlíkových a kyslíkových atomů 3:2. Předpokládá se, že obsahuje lineární řetězce šestičlenných laktonových kruhů a uhlíkatý řetězec, ve kterém se střídají jednoduché a dvojné vazby. +more Střední počet jednotek na molekulu je mezi 5 a 6, přesná hodnota závisí na teplotě, při které polymer vznikal.

Oxid uhelnatý za tlaků kolem 5 GPa vytváří červený polymer s mírně vyšším obsahem kyslíku, který je za běžných tlaků metastabilní. Předpokládá se, že se CO při stlačování disproporcionuje na směs CO2 a C3O2, kde následně druhá z těchto látek utvoří polymer podobný výše popsanému (s nepravidelnější strukturou), který ve své matrici zachytí část CO2.

Polymerem, s poměrem C:O 5:1 nebo vyšším, je také oxid grafitu a oxid grafenu.

Oxidy a ozonidy fullerenů

Je známo více než 20 oxidů a ozonidů fullerenů, například:

* C60O (2 izomery) * C60O2 (6 izomerů) * C60O3 (3 izomeryrů) * C120O * C120O4 (4 izomery) * C70O * C140O

Odkazy

Reference

Související články

Nitridy uhlíku

Externí odkazy