Ugljik je bio prvi element, ili boje rečeno elementarna tvar, koju je čovjek poznavao. Bio je i jedan od dva nemetala poznatih od pamtivijeka. Drugi nemetal je sumpor.
To nas ne bi trebalo previše čuditi jer ugljik, u obliku drvenog ugljena, čovjek poznaje otkako poznaje vatru. Naš predak iz kamenog doba je bezsumnje znao ono što zna svatko tko zna roštiljati, naime da se peče na ugljenu, a ne na drvu. Danas se kupuje već gotov ugljen za roštilj, no mi stari znamo kako se to prije radilo. Drvo se zapali, ali se ne smije dozvoliti da vatra svojim jezicima liže meso, jer onda naši jezici ne bi imali što lizati. Umjesto toga treba pustiti da drvo izgori do kraja, a zatim peći na žeravici. No, iza drva, kad potpuno izgori, ostaje samo pepeo. Ugljen ostaje ako drvo ne izgori do kraja, nego se umjesto toga djelomično karbonizira – što je samo stručni termin za pretvaranje u ugljen, pougljenjavanje.
Danas znamo da se svaki organski spoj ako seizloži dovoljno visokoj temperaturi, obično između 400 i 600 oC, pretvara u ugljen, naravno ako se spriječi dotok zraka. Riječ je o kemijskim reakcijama koje se skupno zovu reakcije eliminacije. Da kemijskim formulama ne mučim čitatelja, reći ću samo to organski spojevi zagrijavanjem ispuštaju H2O i CO2, te druge plinove ili pare, poput octene kiseline, metanola i acetona. Uslijed toga organski se ostatak sve više oslobađa kisika, vodika i dušika, a u njemu raste udjel ugljika. Ili, malo preciznije, jednostruke se veze pretvaraju u dvostruke, a ravni lanci zatvaraju u prstene – dok na kraju ne ostane čisti ugljik u obliku međusobno povezanih šesteročlanih prstenova. Oni grade heksagonsku mrežu, nešto slično pčelinjem saću ili mreži koju vidimo na nogometnim vratnicama ili na ogradi za perad. Kada se takve mreže ugljikovih atoma poslažu jedna na drugu, dobiva se alotropska modifikacija ugljika koja se zove grafit.
O svemu tome čovjek kamenog doba nije, razumije se, ništa znao. Znao je samo da ugljen bolje grije od drva, jer – danas znamo – energetska vrijednost suhog drva iznosi od 10 do 11 MJ/kg, a drvenog ugljena, tri puta više – 28 MJ/kg. Još je više osjetio korist ugljena kad ga je počeo upotrebljavati za istaljivanje metala, prvo bakra, a potom željeza.
Drveni ugljen nije međutim samo dobro gorivo i redukcijsko sredstvo (pri istaljivanju ruda) nego i crni pigment. Najstarije poznate slike, one na zidu pećine u Altamiri, slikane su i drvenim ugljenom. I tako to traje kroz stoljeća i tisućljeća jer se i dan danas ugljen koristi za crtanje. To ne govorim samo zato što slikari crtaju ugljenim štapićima, nego i zato što se drveni ugljen nalazi u tušu i tiskarskom bojilu. Četiri standardna tiskarska bojila čine sustav CMYK (cyan-magenta-yellow-karbon), gdje „karbon“ stoji za ugljenu prašinu (lat. carbo – ugljen). Na kraju, zašto se mineral, a po njemu i alotropska modifikacija ugljika zove „grafit“? Zove se prema grčkoj riječi grafo, koja znači „pišem“. Ne treba stoga biti klasični filolog da se dokuči kako je grafit nekoć služio za pisanje. Za pisanje služi još i danas, jer se grafit nalazi u svakoj olovci. Grafit se naime miješa s glinom, a potom peče kako bi se dobila srčika („mina“) olovke. Što je u olovci više grafita bit će mekša, što je više gline, bit će tvrđa.
Bilo da se ugljik nalaz među stijenama, u obliku minerala grafita gustoće 2,2 g/cm3 i tvrdoće 1-2 po Mohsu, ili u obliku drvenog ugljena i čađe, on ima uvijek istu strukturu, strukturu paralelnih heksagonskih mreža. I to je bio jedini poznati oblik ugljika. Postojao je i drugi oblik, druga alotropska modifikacija – no za nju ljudi nisu znali.
To govorim zato što su još stari Grci poznavali dijamant, adamas, no nisu mogli ni slutiti da bi se taj dragocjeni kamen sastojao od atoma ugljika kao što se sastoji neugledni grafit i još neugledniji drveni ugljen. I doista, do toga nisu mogli doći ni u najluđem snu, jer teško je zamisliti veću razliku od razlike između ta dva minerala. Grafit bi bio najmekši mineral da nije talka ili milovke s tvrdoćom po Mohsu točno 1, dok je dijamant najtvrđi mineral, a donedavno i najtvrđa tvar. Tvrdoća mu na Mohsovoj skali iznosi 10. Usto je dijamant sjajan i proziran, drugačije se kala od grafita (koji se kala u listiće), a o razlici u cijeni nećemo ni govoriti. Pa ipak se oba minerala, obje tvari sastoje od istih atoma, atoma ugljika.
Tu je danas svima poznatu činjenicu otkrio tek slavni francuski kemičar Antoine Laurent Lavoisier u 18. stoljeću. Zapalio je naime dijamant Sunčevim zrakama koje je sakupio velikom lećom i pritom otkrio da njegovim izgaranjem nastaje samo ugljikov dioksid. No, koja je veza između dijamanta i grafita?
Ako se dijamant grije bez pristupa zraka od njega će nastati grafit, jer je grafit stabilnija modifikacija ugljika. No to vrijedi samo pri niskom tlaku. Pri visokom tlaku (100.000 bara) i temperaturi (2400 oC) stabilnija modifikacija ugljika je dijamant, što znači da pri tim uvjetima od grafita nastaje dijamant, a ne obratno. Na tome se temelji proizvodnja umjetnih dijamanta, od početka pedesetih godina prošloga stoljeća. Zašto tek od tada? Trebalo je prije svega napraviti fazni dijagram ugljika, što je učinio 1946. američki fizičar i nobelovac Percy William Bridgman, a potom pronaći katalizatore (krom, mangan i srodni im metali) koji ubrzavaju kristalizaciju kako bi se iz taline dobili što veći dijamanti.
I kad se mislilo da se o ugljiku i njegovim alotropskim modifikacijama sve zna, evo ti iznenađenja. Britanski kemičari Richard Smalley i Harold Kroto otkrili su 1990. godine, sasvim slučajno, molekulu nalik na nogometnu loptu, C60. To je već svima poznati buckminterfulleren, nazvan tako po američkom arhitektu Richardu Bucminster Fulleru koji se proslavio geodetskim kupolama, građevinama koje oblikom nalikuju molekuli C60.
A onda je lavina krenula. Sintetizirane su mnoge druge kuglaste molekule (C76, C78, C84 …), nove alotropske modifikacije ugljika koje su dobile skupni naziv fullereni. Štoviše, napravljene su i ugljikove cjevčice (nanotubule), koje su zapravo smotane grafitne mreže. Na kraju spomenimo i grafen, alotropsku modifikaciju ugljika koja se sastoji od samo jednog sloja ugljikovih atoma, od samo jedne grafitne mreže. To je najčvršća poznata tvar, 200 puta čvršća od čelika. O primjeni svega toga ne bih govorio, jer to daleko premašuje prostor ove rubrike, a premašivao bi i prostor cijele knjiga, da se tiska i u više svezaka.
I tako nas ugljik prati od kamenog do svemirskog doba. Što će još kemičari od njega napraviti tek treba vidjeti.
Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.
Datum i vrijeme objave: 18.02.2026 – 09:09 sati
