Węgiel
Pierwiastek znany od czasów prehistorycznych. Nazwa wywodzi się z łaciny carbo - węgiel drzewny.

Pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej zajmuje czternaste miejsce z 0,08%. Głównie występuje w postaci węglanów oraz wolnego CO2. Węgle kopalne nie są czystą postacią tego pierwiastka, a produktami mineralizacji drewna. Najstarszym węglem kopalnym (pod względem czasu powstania) jest antracyt zawierający 92% C. Następnie węgiel kamienny - 85%, brunatny - 70% i torf do 50% C.

Czysty węgiel występuje w kilku odmianach alotropowych. Najważniejsze z nich to: grafit, diament i karbin. Ze względu na strukturę krystaliczną ich właściwości fizyczne znacznie się różnią. W diamencie, każdy z atomów węgla połączony jest z czterema innymi tworząc bardzo sztywną i wytrzymałą strukturę, będącą faktycznie jedną wielką cząsteczkę. Jest najtrwalszym znanym w przyrodzie minerałem. Czysty diament jest izolatorem domieszkowany wykazuje cechy półprzewodnika. Kryształy diamentu są bezbarwnymi, przezroczystymi kryształami o gęstości 3,51 g/cm . Są jednocześnie bardzo twarde i kruche. Niewielkie domieszki powodują zabarwienia kryształu (znane są również czarne diamenty).

Grafit to najczęściej spotykana forma węgla. Atomy tej formy węgla tworzą luźno połączone ze sobą płaszczyzny zbudowane z sześciokątów. Sadza (bezpostaciowy węgiel), koks, węgiel drzewny są różnymi formami grafitu o większym lub mniejszym uporządkowaniu i wielkości kryształów. Grafit tworzy ciemnoszarą, łuskowatą, łatwo łupliwą masę, lekko tłustawą w dotyku. Dobrze przewodzi prąd i ciepło. Przemiana grafitu w diament zachodzi przy wysokim ciśnieniu i temperaturze.

Trzecią, niedawno poznaną formą węgla jest tzw. karbin. Atomy węgla w tej odmianie tworzą ze sobą długie łańcuchy. Znane są dwa ich rodzaje, o podwójnym i mieszanym wiązaniu. W pierwszym przypadku pomiędzy atomami węgla występują podwójne wiązania, w drugim, naprzemiennie pojedyncze i podwójne. W naturze karbiny znaleziono w kraterze meteorytowym w Niemczech.

Inną ciekawą postacią węgla są niedawno odkryte tzw. fullereny. Są to sferyczne układy atomów węgla zbudowane z kilkudziesięciu atomów węgla. Podejrzewa się występowanie takich struktur w przestrzeni kosmicznej.

Węgiel ma najwyższą ze wszystkich pierwiastków temperaturę topnienia (ok. 3700°C). W temperaturze pokojowej charakteryzuje się słabą reaktywnością. W wysokiej temperaturze reaguje bezpośrednio z większością pierwiastków. Węgiel, ze względu na tendencję do tworzenia skomplikowanych struktur, tworzy wielką grupę związków na bazie węglowodorów (miliony). Związkami tymi zajmuje się praktycznie odrębna dyscyplina chemii, zwana chemią organiczną.

Węgiel występuje w stanie wolnym w postaci grafitu i diamentu. Jest składnikiem materii ożywionej i minerałów. Większość ważniejszych skał to sole kwasu węglowego (np. kreda). Węgiel kamienny jest pozostałością roślin karbońskich, ropa naftow i gaz ziemny to głównie produkty rozkładu organizmów zwierzęcych. W atmosferze i oceanach występuje głównie jako dwutlenek węgla. Głównym źródłem diamentów są złoża w Rosji i RPA. Naturalny, "czysty" grafit występuje m.in. na Cejlonie, Madagaskarze i w Kalifornii, a w postaci węgla kamiennego - na całym świecie. W wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje pod względem występowania ok. 14 miejsca (procenty wagowe).

Głównym źródłem węgla są kopaliny. Diamenty, zarówno naturalne jak i syntetyczne, powstają z grafitu pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze (3000K i 1,25 MPa). Czysty grafit syntetyczny otrzymuje się przez podgrzewanie związków węgla do wysokich temperatur (ok. 2500K).

Najbardziej popularnym sposobem jego wykorzystania było i jest nadal, używanie go jako paliwa do ogrzewania i produkcji energii elektrycznej. Czysty grafit jest szeroko stosowany w przemyśle. Ze względu na żaroodporność i dobre przewodzenie ciepła używa się go do wyrobu tygli do topienia oraz elektrod. Produkuje się z niego smary i barwniki. W energetyce jądrowej używany jest jako moderator w niektórych typach starszych reaktorów. W procesie odgazowania węgla powstaje koks, którego używa się w hutnictwie w procesie wielkopiecowym i jako paliwo opałowe. Sadzę wykorzystuje się przede wszystkim do barwienia i podczas produkcji kauczuku. Postać węgla, zwana węglem aktywnym cechuje się dużą zdolnością adsorpcyjną. Znalazł on zastosowanie w różnego rodzaju filtrach. Węgiel, a właściwie jego izotop o masie atomowej 14, zużywany jest przy datowaniu skamieniałości i innych organicznych substancji. Jedna dwunasta masy atomu węgla (izotop 12C) została uznana za jednostkę masy atomowej.

Konfiguracja elektronowa He 2s2p2
Masa atomowa 12,011
Gęstość [kg/m3] 3513 (diament) 2260
Główny stopień utlenienia -4; +2; +4
Izotopy: masa - zawartość - okres półrozpadu
12C
13C
14C
12,000 - 98,892% - stabilny
13.003 - 1,108%
14.003 - ślady - 5730 lat
Temperatura topnienia 3820K
Temperatura wrzenia 5100K
Promień atomowy [pm] 77
Promień jonowy C4+ 30
Energia jonizacji [kJ×mol-1] 1086,2 C->C+; 2352,8 C+->C2+; 4620 C2+->C3+; 6222 C3+->C4+
Powinowactwo elektronowe [kJ×mol-1] 121,9
Elektroujemność 2,55 (Pauling); 6,27 eV (absolutna)
Energia wiązań kowalencyjnych [kJ×mol-1] C - H
C - C
C = C
C = N
C = O
411
348
614
615
745

Poprzednia Pierwiastki Następna