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
- 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.;
- Dąbrowski M., Stachowski A.H. (red.). 2001. ; “Popularna encyklopedia powszechna. ”; Fogra Oficyna Wydawnicza, Kraków.;
- Ebbing D.D., Gammon S.D. 2007. ; “General Chemistry. ”; Houghton Miffin Company, New York.;
- Enghag P. 2004. ; “Encyclopedia of the Elements. Technical Data - History - Processing - Applications. ”; Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co.;
- 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.;
- Lauretta D.S., McSween H.Y. 2006. ; “Meteorites and the Early Solar System II. Space science series. ”; University of Arizona Press.;
- Lide D.R. (red.). 2007. ; “CRC Handbook of Chemistry and Physics. ”; CRC Press, Boca Raton.;
- 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.;
- 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.;
- Rayner-Canham G., Overton T. 2010. ; “Descriptive Inorganic Chemistry. W. H. ”; Freeman and Company, New York.;
- Teisseyre T., Majewski E. 2000. ; “Earthquake Thermodynamics and Phase Transformation in the Earth's Interior, 1st Edition. ”; Academic Press.;