Definicja pojęcia:

węgiel

Węgiel, C pierwiastek chemiczny o symbolu C (carbon, łac. carboneum) należący do węglowców (XIV grupa pierwiastków w układzie okresowym). Polską nazwę zaproponował Filip Neriusz Walter. Węgiel posiada liczbę atomową wynoszącą 6 oraz względną masę atomową wynoszącą 12,011 u (atomowe jednostki masy). Niemetal ten posiada cztery elektrony walencyjne, a w naturze występują jego trzy izotopy: izotop węgla 12C, 13C i 14C. Izotopy 12C oraz 13C są izotopami stabilnymi, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy, którego czas połowicznego rozpadu wynosi około 5700 lat.
  1. Charakterystyka węgla
  2. Występowanie węgla
  3. Związki węgla
  4. Zastosowanie węgla

Charakterystyka węgla

Właściwości fizyczne węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Wyróżnia się kilka odmian alotropowych węgla, takich jak: diament, fuleren, cyklokarbon, grafen i grafit.

Niezależnie od odmian alotropowych węgiel jest ciałem stałym, także w wyższych temperaturach niż metale o najwyższych temperaturach topnienia takich jak wolfram i ren. Pod względem termodynamicznym węgiel jest podatny na utlenianie znacznie bardziej niż miedź i żelazo. W przyrodzie grafit spotykany jest najczęściej w postaci łuseczkowatych albo blaszkowych agregatów lub w formie zbitej masy o szaroczarnej barwie. Dużo rzadziej spotyka się dobrze wykształcone kryształy grafitu. Jest to minerał nieprzeźroczysty i giętki, kruchy, krajalny, ale nie sprężysty, w dotyku brudzący oraz tłusty. Ponadto dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny oraz jest odporny na wysoką temperaturę. Grafen jest cienką i przezroczystą warstwą węgla, której grubość to jedna warstwa atomów. Jest elastyczny i doskonale przewodzi prąd. W przyrodzie nie występuje w czystej postaci i jest to najmocniejszy spośród znanych materiałów. Cyklokarbon jest odmianą węgla o strukturze cząsteczkowej. Prawdopodobnie powinien mieć charakter półprzewodnika, ale jego stabilność w postaci makroskopowej nie jest znana. Budowa fulerenu podobnie jak cyklokarbonu jest cząsteczkowa, jednak cząsteczki fulerenów zbudowane są z większej liczby atomów węgla. Cząsteczki te mają właściwości podobne do sprzężonych węglowodorów aromatycznych, są to ciała stałe o metalicznym połysku. Wykazują własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe.

Diament jest najtwardszym znanym minerałem występującym w przyrodzie, gdzie spotykany jest bardzo rzadko. Niezwykle cenny w jubilerstwie, może zawierać wrostki innych minerałów. Diament wykazuje dobrą przewodność cieplną (wynikającą z efektywnego przewodnictwa fononowego), charakter dobrego izolatora (oprócz diamentu niebieskiego, będącego półprzewodnikiem) jak również jest trudno topliwy (około 3500 °C) i odporny na działanie zasad i kwasów.

Węgiel ma ponadto powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami (również z innymi atomami węgla) oraz do tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami. W konsekwencji czego związki zawierające w swojej strukturze węgiel stanowią dużą część wszystkich znanych związków. Węgiel ma najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich pierwiastków. Nie występuje w stanie ciekłym (w warunkach ciśnienia występującego w atmosferze), natomiast sublimuje podczas ogrzewania w temperaturze 3852 °C.

Ilość węgla na Ziemi jest stała, a w warunkach ziemskich zmiana jednego związku węgla w drugi jest rzadka. Stąd istnieje zjawisko sterujące węglem na ziemi, które powoduje rozproszenie tego pierwiastka na całej planecie. Zjawisko to poprzez rozpraszanie, pochłanianie, wbudowywanie i uwalnianie oraz wędrówkę węgla tworzy obieg węgla w przyrodzie.
Diamenty są bardzo pożądane w jubilerstwie, fot. shutterstock

Występowanie węgla

Węgiel pod względem masy jest czwartym pierwiastkiem chemicznym obserwowalnym we wszechświecie (po wodorze, helu i tlenie). Występuje w dużych ilościach w gwiazdach, kometach i w większości planet. Ziemia może zawierać w całości (oprócz mórz, oceanów i atmosfery) 4360 milionów gigaton węgla. Przy czym zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%. Natomiast 900 gigaton węgla znajduje się w atmosferze ziemskiej, w wodach 36000 gigaton węgla, a w biosferze zgromadzonych jest 550 gigaton. Węgiel spotyka się przede wszystkim w postaci pierwiastka chemicznego (grafit, diament, fulereny, sadza), w postaci związków chemicznych nieorganicznych (węglany, tlenki i węgliki), organicznych (białka, cukry, węglowodory, alkohole, tłuszcze, estry), w mieszaninach organicznych związków węgla jakimi są paliwa kopalne (ropa naftowa, gaz ziemny) oraz jako węgle kopalne (torf, węgiel kamienny, węgiel brunatny, antracyt).
Obieg węgla w przyrodzie, źródło: shutterstock

Związki węgla

Węgiel ma zdolność do tworzenia związków nieorganicznych i związków organicznych. Ma zdolność do katencji czyli tworzenia związków organicznych o bardzo długich łańcuchach zawierających wiązanie C–C. Wiązanie węgla z węglem jest bardzo silne i stabilne oraz pozwala na tworzenie praktycznie nieskończonej liczby związków. A ponadto liczbie związków zawierających węgiel w swojej strukturze nie dorównują żadne inne związku, które nie zawierają węgla w swojej strukturze. Do najprostszych związków organicznych zalicza się węglowodory, czyli związki zwierające w swojej strukturze tylko atomy wodoru i węgla. Właściwości związku organicznego są zależne zarówno od długości łańcucha, łańcuchów bocznych jak i od grup funkcyjnych, które mogą się przyłączać do związku. Do nieorganicznych związków węgla zalicza się między innymi: dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas węglowy, węgliki oraz węglany. Do najważniejszych tlenków węgla należą dwutlenek, tlenek i podtlenek. W związkach węgiel jest zazwyczaj czterowartościowy, rzadko dwuwartościowy i na różnych stopniach utlenienia.
Węgiel kamienny. fot. shutterstock

Zastosowanie węgla

Węgiel jest pierwiastkiem niezbędnym dla wszystkich znanych organizmów żywych. Bez niego nie mogłoby istnieć życie. Człowiek wykorzystywał węgiel (jako jeden z niewielu pierwiastków) już w starożytności. Współcześnie węgiel wykorzystywany jest w chemii organicznej. A węglowodory ze względu na swoje właściwości (m.in. palność) odgrywają istotną rolę w przemyśle polimerowym, petrochemicznym oraz paliw kopalnych. W konsekwencji węglowodory stały się ważnym źródłem energii.

Związki nieorganiczne węgla są powszechnie stosowane w stopach z żelazem jak np. stal i żeliwo. Wiele ważnych biologicznie grup związków powstaje poprzez dołączenie tlenu do związku zawierającego atomy węgla i wodoru. Wśród tych związków można wymienić m.in. cukier, tłuszcze, alkohole, karotenoidy, chitynę, terpeny zapachowe i estry. W przypadku dołączenia fosforu powstają m.in. DNA, RNA i ATP. A w przypadku dołączenia azotu powstają np. aminokwasy i alkaloidy.

Węgiel wykorzystuje się do datowania radiowęglowego, do czego służy naturalna zawartość izotopu 14C, który w czasie życia organizmu jest przyswajany i odkładany, i kolejno po śmierci organizmu uwalniany (węgiel ulega rozpadowi). Wiek można określić na podstawie proporcji izotopu 14C do całkowitej ilości węgla.

Ponadto alotropowe odmiany węgla mają szerokie zastosowanie w przemyśle i medycynie. Na przykład grafit jest wykorzystywany do produkcji ołówków oraz jako elektroda w spawalnictwie. Diament jako kamień szlachetny stosowanym jest w jubilerstwie, jak również ze względu na jego wysoką twardość, stosowany jest także w urządzeniach pomiarowych oraz narzędziach czy w elementach do wiercenia i szlifowania. Grafen ma szansę zastąpić z lepszym skutkiem m.in. dotychczas używany krzem. W medycynie stosuje się m.in. węgiel aktywny, ale także np. w oczyszczalniach lub stacjach uzdatniania wody do procesów filtracji i oczyszczania.
Siatka molekularna grafenu. Źródło: shutterstock

Bibliografia

  1. Bar-On Y., Philips R., Milo R. 2018. ; “The biomass distribution on Earth. ”; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115 (25): 6506–6511.;
  2. Dąbrowski M., Stachowski A.H. (red.). 2001. ; “Popularna encyklopedia powszechna. ”; Fogra Oficyna Wydawnicza, Kraków.;
  3. Ebbing D.D., Gammon S.D. 2007. ; “General Chemistry. ”; Houghton Miffin Company, New York.;
  4. Enghag P. 2004. ; “Encyclopedia of the Elements. Technical Data - History - Processing - Applications. ”; Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co.;
  5. Kaiser K., Scriven L.M., Schulz F., Gawel P., Gross L., Anderson H.L. 2019. ; “An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon. ”; Science 365: 1299–1301.;
  6. Lauretta D.S., McSween H.Y. 2006. ; “Meteorites and the Early Solar System II. Space science series. ”; University of Arizona Press.;
  7. Lide D.R. (red.). 2007. ; “CRC Handbook of Chemistry and Physics. ”; CRC Press, Boca Raton.;
  8. 8. Meija J. Coplen T.B., Berglund M., Brand W.A., De Bièvre P., Gröning M., Holden N.E., Irrgeher J., Loss R.D., Walczyk T., Prohaska T. 2016. ; “Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report). ”; Pure and Applied Chemistry 88 (3): 265–291.;
  9. Nicolaou K.C., Montagnon T. 2008. ; “Molecules that changed the world. A brief history of the art and science of synthesis and its impact on society. ”; Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co.;
  10. Rayner-Canham G., Overton T. 2010. ; “Descriptive Inorganic Chemistry. W. H. ”; Freeman and Company, New York.;
  11. Teisseyre T., Majewski E. 2000. ; “Earthquake Thermodynamics and Phase Transformation in the Earth's Interior, 1st Edition. ”; Academic Press.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.6
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy