Węgiel (C) – właściwości, działanie i występowanie węgla

Węgiel (C) obecny jest w każdej komórce naszego ciała – bez niego nie było życia na Ziemi. Z drugiej strony, jego związki odpowiedzialne są katastrofę ekologiczną, która może kiedyś przywieźć naszą planetę do zagłady. Dlaczego właśnie węgiel odgrywa tak znaczącą rolę w egzystencji świata? Co warto wiedzieć o czarnym pierwiastku?

1. Historia węgla
2. Właściwości węgla – jakie związki tworzy?
3. Występowanie i wydobycie węgla
4. Zastosowania węgla
5. Wpływ węgla na zdrowie
6. Węgiel a ekologia

Atomy węgla tworzą naszą rzeczywistość. Zawierają je wszystkie związki organiczne, a więc rośliny, zwierzęta i ludzie. Nie brakuje ich też w tworzywach sztucznych, papierze, drewnie, odzieży, wszystkich pokarmach i większości napojów, w farbach, ceramice i paliwie, kredkach i lekach. Węgiel, jako skromny pierwiastek o sześciu protonach i sześciu wyjątkowo ochoczych elektronach tworzy też najdoskonalszy kamień szlachetny na świecie – diament.

Historia węgla

Już prehistoryczne społeczeństwa znały węgiel w postaci dobrze palnych czarnych bryłek wykopywanych z ziemi. Starożytni Chińczycy przed ponad czterema tysiącami lat wydobywali już diamenty, zaś Rzymianie palili drewno w specjalnych piramidach, aby uzyskać uniwersalny materiał opałowy. Była to jednak wiedza czysto praktyczna, niezwiązana jeszcze z teorią atomów.

Przełom w rozumieniu potęgi węgla przyniósł dopiero wiek XVIII. Najpierw francuski fizyk René Antoine Ferchault de Réaumur wyprodukował stal łącząc żelazo z tajemniczym pierwiastkiem, a pięćdziesiąt lat później słynny chemik i fizyk, Antoine Lavoisier, który poległ pod rewolucyjną gilotyną, udowodnił, że czarne bryłki i diamenty to jedna i ta sama substancja. Dalsze badania francuskich naukowców – Claude’a Louisa Bertholleta, Gasparda Monge’a and C. A. Vandermonde’a skupiły się na strukturze minerału, zwanego grafitem, z którego wyizolowano w końcu za pomocą spalania dwutlenek węgla. W 1789 r. Lavoisier na 5 lat przed swoją tragiczną śmiercią zdołał jeszcze opisać pierwiastek carbonum w chemicznym podręczniku.

Historia badań poświęconych węglowi nie byłaby pełna bez odkryć dokonanych w latach 90-tych ubiegłego stulecia, za które trzem amerykańskim naukowcom, Robertowi Curlowi, Haroldowi Kroto oraz Richardowi Smalley przyznano Nagrodę Nobla. Zidentyfikowali i opisali oni mianowicie fuleren - nową odmianę alotropową węgla, czyli inną pod względem chemicznym i fizycznym odmianę tego samego pierwiastka.

Właściwości węgla – jakie związki tworzy?

Węgiel jako pierwiastek jest prawdziwym kamelonem. Wspomniane wyżej zjawisko alotropii sprawia, że występuje on pod postacią diamentu, grafitu, fulerenu, grafenu, nanorurek i form polinowych. Diament ma postać transparentnego kryształu i jest najtwardszym minerałem na świecie; grafit to zaś tłusty, brudzący i krajalny szaro-czarny agregat najczęściej występujący w formie łupków. Fizyczna charakterystyka węgla nie jest więc jednoznaczna.

Ogólnie można jednak powiedzieć, że carbonium jest pierwiastkiem niemetalicznym, występującym przede wszystkim pod postacią izotopu C-12 (98.93% wszystkich zasobów węgla na Ziemi). Ponadto znamy jeszcze stabilny, naturalnie występujący izotop C-13 oraz promieniotwórczy izotop C-14 o połowicznym czasie rozpadu 5730 dni. Ten ostatni odgrywa bardzo ważną rolę w badaniach archeologicznych – jego poziom w organizmach żywych jest stały, ale po śmierci obniża się w sposób łatwy do przewidzenia, pozwalając łatwo ocenić wiek znalezionych szczątków roślinnych lub zwierzęcych.

Węgiel ma zaskakującą zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów silnych i stabilnych wiązań atomowych. Tą właściwość wykorzystała mądra Matka Natura jako szkielet związków organicznych, czyli tworzących wszystkie tkanki roślinne i zwierzęce. Wraz z wodorem, tlenem, siarką i azotem buduje on białka, węglowodany, tłuszcze, ale także alkohole, estry, terpeny czy karotenoidy – jednym słowem substancje niezbędne nam do życia. Jeśli dołączyć jeszcze fosfor, mamy wszystkie potrzebne składniki do budowy DNA! Węgiel jest również bazą chemii organicznej obejmującej m.in. paliwa kopalne, lubrykanty, rozpuszczalniki czy chłodziwa.

Poza tym jednak carbonium tworzy także związki pozbawione wielokrotnych wiązań węgiel-węgiel, które zalicza się już do chemii nieorganicznej. Mowa tu przede wszystkim o szeregu minerałów (m.in. magnezycie, dolomicie, marmurze czy piaskowcu), ale także niezwykle istotnych z punktu widzenia człowieka gazów: tlenku i dwutlenku węgla oraz metanie, będącym głównym składnikiem gazu ziemnego. Wreszcie, węgiel reaguje również z niektórymi metalami tworząc tzw. węgliki oraz acetylenki.

Ciekawostka: Chociaż węgiel stanowi zaledwie 0.025% skorupy ziemskiej tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki razem wzięte!

Występowanie i wydobycie węgla

W całym wszechświecie węgiel jest szóstym najczęściej występującym pierwiastkiem (po wodorze, helu, tlenie, neonie i azocie), ale w skorupie ziemskiej zajmuje dopiero 19 pozycję w rankingu częstości występowania. Z punktu widzenia człowieka, jego najważniejsze pokłady to ropa naftowa napędzająca nie tylko auta, ale i światową gospodarkę, a także węgiel kamienny i brunatny wydobywane w 70% metodą głębinową, a w 30% kontrowersyjną z punktu widzenia środowiska naturalnego metodą odkrywkową. Samo kopalnictwo do dziś jest ważną gałęzią przemysłu, choć jego skala ograniczana jest intensywnie z każdą dekadą. Do największych producentów węgla opałowego na świecie należą dziś Chiny, Indie i USA.

Czysty węgiel wydobywa się natomiast przede wszystkim pod postacią grafitu, którego złoża znajdują się głównie w skałach metamorficznych (liderem są również Chiny) oraz diamentów generujących nie tylko wielkie pieniądze, ale także sporo emocji związanych ze społecznym wyzyskiem. Największymi producentami tych ostatnich są dziś Rosja, Botswana, Demokratyczna Republika Kongo, Australia i Kanada.

Zastosowania węgla

O wykorzystaniu węgla można by napisać książkę. Począwszy od wspomnianego już przemysłu opałowego, przez rozmaite produkty rafinacji ropy naftowej (w tym smary, parafinę czy asfalt), a skończywszy na lekach – od aspiryny po kodeinę. Celuloza, czyli naturalny polimer zawierający atomy węgla to podstawa przemysłu włókienniczego, zaś syntetyczne polimery węglowe to nic innego jak szeroko stosowane plastiki.

Włókna węglowe używane są też m.in. do wyrobu nart, żyłek wędkarskich czy naciągu do rakiet tenisowych. Grafit wykorzystuje się nie tylko w ołówkach, ale także silnikach elektrycznych i piecach, zaś diamenty to surowiec biżuteryjny, dający też wysokiej jakości ostrza i wiertła. Węgiel drzewny i koks wykorzystuje się również w procesie wytapiania metali i produkcji stali. Związki węgla i reaktywnych metali służą natomiast jako najtwardsze znane człowiekowi materiały o szerokim wykorzystaniu przemysłowym. Z bardziej nowoczesnych i innowacyjnych zastosowań warto natomiast wspomnieć o odkrytych całkiem niedawno nanorurkach węglowych i innych formach fulerenu, które zrewolucjonizowały rozwój przemysłu elektronicznego oraz nanotechnologii. 

Ciekawostka:
Pierwsze tatuaże wykonywane przed 5000 tysiącami lat wykorzystywały właśnie węgiel zamiast atramentu.

Wpływ węgla na zdrowie

Z biologicznego punktu widzenia rola węgla jest rzeczywiście nie do przecenienia. Doskonałym przykładem jest choćby sam cykl obiegu węgla w przyrodzie - od wyłapywania dwutlenku węgla z powietrza przez rośliny w ramach fotosyntezy po jego uwalnianie przy spalaniu paliw kopalnych. Poza powszechną obecnością w ciele ludzkim węgiel może mieć jednak także funkcje lecznicze – jego pierwiastkowa forma wyprodukowana w ramach specjalnego procesu karbonizacji i aktywacji parą wodną (tzw. węgiel aktywny) ma wyjątkowe zdolności do wiązania się z innymi substancjami i używana jest przy zatruciach pokarmowych oraz biegunkach. Z badań przeprowadzonych w 2009 r. wynika też, że alotropowa odmiana węgla zwana fulerenem Buckminstera jest w stanie hamować rozszerzanie się wirusa HIV, a inne studia wskazują również na jej potencjalne zastosowanie w leczeniu guzów nowotworowych.

Z drugiej strony jednak, tlenek węgla, zwany również czadem, będący efektem niepełnego spalania węgla (np. w wadliwych piecykach) to związek silnie trujący, który niezwykle skutecznie łączy się z hemoglobiną i wywołuje bóle głowy, słabość, wymioty, dezorientację, a w większych ilościach także utratę przytomności, arytmię, a nawet śmierć. Ponadto, mimo stosunkowo niskiej toksyczności czystego węgla, osoby pracujące w kopalniach mogą doznać uszczerbku na zdrowiu w postaci uszkodzenia płuc po inhalacji oraz stanów zapalnych skóry przy fizycznym kontakcie z czystym węglem.

Węgiel a ekologia

Niestety, węgiel wciąż jest źródłem ok. 30% energii elektrycznej na świecie. Niewielki koszt i wysoka efektywność sprawiają, że wycofywanie się z tego źródła jest bardzo powolne. Tymczasem przed 150 lat ilość dwutlenku węgla w atmosferze szacowana była na poziomie 280 ppm, w 2020 r. jego stężenie wyniosło już 412 ppm! Zdaniem wielu ekspertów ów trend ma bezpośredni wpływ na tzw. efekt cieplarniany, czyli globalne podgrzanie temperatury wokół Ziemi. Jako konsekwencję wskazuje się m.in. radykalne zmiany klimatyczne oraz topnienie lodowców i zalewanie lądów.Węgiel sam w sobie nie jest więc zagrożeniem dla środowiska naturalnego – stanowi wszak jego ważną część – ale to sposób, w jaki człowiek wykorzystuje jego związki jest wysoce kontrowersyjny. Na szczęście, na całym świecie wprowadza się dziś dość radykalne prawne i polityczne kroki mające na celu ograniczenie wydobycia węgla na opał, a przede wszystkim redukcję emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Z jednej strony, mamy więc aktywistów prognozujących dramatyczne konsekwencje globalnego ocieplenia, z drugiej sceptyków i oponentów chroniących tradycyjne gałęzie przemysłu. Osiągnięcie konsensusu w tym temacie będzie bez wątpienia jednym z największych wyzwań kolejnych dwóch pokoleń!

Bibliografia

1. Stephanie Pappas; “Facts About Carbon ”; livescience.com; 2021-10-26
2. Britannica; “Carbon”; britannica.com; 2021-10-26
3. Royal Society of Chemistry; “Carbon”; rsc.org; 2021-10-26
4. Anne Marie Helmenstine; “10 Facts About Carbon (Atomic Number 6 or C)”; thoughtco.com; 2021-10-26
5. Robert M. Hazen; “Why carbon? ”; scientificamerican.com; 2021-10-26
6. Lenntech; “Carbon ”; lenntech.com; 2021-10-26