Węgiel (pierwiastek)

Węgiel (C, łac. carboneum) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6, niemetal z bloku p układu okresowego. Należy do grupy 14. Ma cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, 12
C oraz 13
C są stabilne, natomiast izotop 14
C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Neriusz Walter.

Węgiel

bor ← węgiel → azot
– ↑ C ↓ Si 6 C
Wygląd
czarny (grafit, fuleren) bezbarwny (diament)
diament i grafit – dwie z kilku form występowania węgla
Widmo emisyjne węgla
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	węgiel, C, 6 (łac. carboneum)
Grupa, okres, blok	14 (IV A), 2, p
Stopień utlenienia	II, IV
Właściwości metaliczne	niemetal
Właściwości tlenków	lekko kwaśne
Masa atomowa	12,011 ± 0,002
Stan skupienia	stały
Gęstość	3150–3530 kg/m³ (diament) 1900–2300 kg/m³ (grafit)
Temperatura topnienia	diament: 4440 °C (122 tys. atm) grafit: 4489 °C (101,65 atm, punkt potrójny)
Temperatura wrzenia	3852 °C (sublimacja)
Numer CAS	7440-44-0
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 70 (67) pm 77 pm 170 pm Konfiguracja elektronowa [He]2s22p2 Zapełnienie powłok 2, 4 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 2,55 2,50 Potencjały jonizacyjne I 1086,5 kJ/mol II 2352,6 kJ/mol III 4620,5 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 355,8 kJ/mol (sublimuje) Ciepło topnienia brak (sublimuje) Ciśnienie pary nasyconej 0 Pa Konduktywność 6,1×104 S/m Ciepło właściwe 710 J/(kg·K) Przewodność cieplna 129 W/(m·K) Układ krystalograficzny heksagonalny Twardość • w skali Mohsa od 0,5–1,5 (grafit) 10,0 (diament) Prędkość dźwięku 18,35 km/s Objętość molowa 5,29×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 11C {syn.} 20,4 min β+ 1,982 11B 12C 98,9% stabilny izotop z 6 neutronami 13C 1,1% stabilny izotop z 7 neutronami 14C ślady 5730 lat β− 0,156 14N
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS.
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Węgiel ma odmiany alotropowe, z czego najbardziej znane to grafit oraz diament. Właściwości fizyczne węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Na przykład diament jest przezroczysty, natomiast grafit jest nieprzezroczysty i czarny. Diament jest jednym z najtwardszych materiałów na Ziemi, podczas gdy grafitem można pisać na papierze, co wykorzystuje się w ołówkach. Diament ma bardzo niskie przewodnictwo właściwe, a grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. Grafen ma najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich znanych materiałów, a diament, kolejna forma węgla, namacalna, drugą w kolejności, w warunkach normalnych. Alotropy węgla są w warunkach normalnych ciałami stałymi. Innymi alotropami węgla są: fuleren oraz formy poliynowe jak cyklo[18]węgiel bądź karbin (są doniesienia o istnieniu liniowego łańcucha węgla). Niektórzy uważają, że alotropami są także: nanocebulka, nanorurka, nanopianka, choć to raczej nazwy struktur supramolekularnych, a nie alotropów.

Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby reagować choćby z tlenem. Największe ilości nieorganicznego węgla występują w postaci skał wapiennych, dolomitów oraz dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w paliwach kopalnych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. Liczba organicznych związków węgla zarejestrowanych w bazie Beilstein w roku 2008 wynosiła 10 853 341, jednak liczba jego potencjalnych związków jest nieograniczona. Węgiel znajduje się na czwartym miejscu częstości występowania pierwiastków we Wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Jest obecny we wszystkich organizmach. W organizmie człowieka jest drugim (po tlenie) co do liczności pierwiastkiem ze względu na jego masę (ok. 18,5%). Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych czyni pierwiastek chemiczny węgiel chemiczną podstawą życia.

Charakterystyka

Rozmieszczenie elektronów na powłokach w atomie węgla

Różne odmiany alotropowe węgla wykazują bardzo różne właściwości: na przykład diament jest najtwardszą naturalnie występującą substancją, grafit jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami, w tym z innymi atomami węgla, oraz tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami, w wyniku czego związki zawierające w swojej strukturze węgiel stanowią znaczną część wszystkich znanych związków – ich liczba dochodzi do dziesięciu milionów. Węgiel ma także najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w stanie ciekłym, lecz podczas ogrzewania sublimuje w temperaturze 3852 °C; jego punkt potrójny występuje przy ok. 10,3 MPa (102 atm). Niezależnie od odmian alotropowych pozostaje ciałem stałym w wyższych temperaturach, niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (wolfram i ren). Jednak termodynamicznie węgiel jest podatny na utlenianie, znacznie bardziej niż żelazo lub miedź, które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.

Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Mimo różnorodności związków węgla większość jego form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym, kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem, tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak tlenek żelaza, do wolnego metalu. Ta reakcja egzotermiczna jest wykorzystywana w hutnictwie żelaza, stali do kontroli zawartości węgla w stali:

Fe
3O
4 + 4C
(s) → 3Fe
(s) + 4CO
(g)↑

Z siarką tworzy dwusiarczek węgla, a z parą wodną tlenek węgla i wodór:

C
(s) + H
2O
(g) → CO
(g) + H
2
(g)

Węgiel reaguje z niektórymi metalami, tworząc węgliki, w tym węglik żelaza (cementyt) czy węglik wolframu, który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.

Odmiany alotropowe węgla

Odmiany alotropowe węgla:
a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit (domniemana struktura), d) fuleren C60 e) fuleren C540,
f) fuleren C70, g) węgiel bezpostaciowy (amorficzny), h) nanorurka

Węgiel występuje w odmianach alotropowych np.:

• diament
• fulereny
• grafit
• grafen
• cyklo[18]węgiel.

Występowanie

Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%. Spotykany jest:

• w postaci pierwiastka chemicznego: grafit, diament, fulereny, sadza (zanieczyszczony węgiel bezpostaciowy)
• w postaci związków chemicznych:
  • nieorganicznych: węglany, węgliki, tlenki
  • organicznych: białka, tłuszcze i cukry, węglowodory, alkohole, estry
• w mieszaninach organicznych związków węgla, jakimi są paliwa kopalne:
  • gaz ziemny
  • ropa naftowa
  • węgle kopalne: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny i antracyt.

Obieg węgla

Diagram przedstawiający obieg węgla w przyrodzie

W warunkach ziemskich zmiana jednego związku w drugi jest rzadka, jednak ilość węgla na Ziemi jest stała. Dlatego musi istnieć proces powodujący utrzymanie równej ilości węgla w różnych jej częściach. Ścieżki, jakimi „wędruje” węgiel, tworzą obieg węgla w przyrodzie. Rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy lub cyklu Calvina. Część biomasy produkowanej przez rośliny zostaje zjedzona przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.

Związki węgla

Związki organiczne

Budowa metanu, najprostszego związku organicznego

Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C−C. Zdolność ta nosi nazwę katenacji. Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne.

Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną liczbę związków. Liczba związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla (nie licząc związków zawierających wodór, gdyż praktycznie każdy związek organiczny zawiera atom wodoru).

Najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory – związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Długość łańcucha, boczne łańcuchy oraz grupy funkcyjne wpływają na właściwości związku.

Węgiel jest głównym składnikiem wszystkich plastikowych materiałów używanych powszechnie w gospodarstwach domowych

Węgiel występuje w każdym organizmie żywym oraz jest podstawą chemii organicznej. Węglowodory to grupa palnych związków, które odgrywają istotną rolę w przemyśle polimerowym, petrochemicznym oraz paliw kopalnych.

Gdy w związku obok węgla i wodoru występuje tlen, tworzy się wiele ważnych biologicznie grup związków, jak cukier, chityna, alkohole, tłuszcze, zapachowe estry, karotenoidy oraz terpeny. Związki zawierające azot tworzą alkaloidy, aminokwasy, zawierające siarkę antybiotyki. Związki zawierające fosfor tworzą DNA, RNA oraz ATP, najważniejszy przenośnik energii w komórce.

Związki nieorganiczne

Spośród nieorganicznych związków węgla duże znaczenie mają dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas węglowy, węglany oraz węgliki. Powszechnie stosowany jest w stopach z żelazem (stal i żeliwo). W związkach węgiel jest zazwyczaj czterowartościowy, rzadko dwuwartościowy (np. w tlenku węgla oraz związkach kompleksowych). Występuje na rozmaitych stopniach utlenienia w zakresie od −IV do IV.

Do najważniejszych tlenków węgla należą tlenek, dwutlenek i podtlenek.

Zastosowanie węgla

Jako paliwo kopalne i surowiec do wytwarzania paliw, węgiel jest zawarty m.in. w w. kamiennym, w. brunatnym, gazie ziemnym i ropie naftowej.

Naturalna zawartość izotopu 14
C wykorzystywana jest do datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie przyswajane są związki z węglem 14
C i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla 14
C do całkowitej ilości węgla.

Grafit jest stosowany m.in. w poligrafii, do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie.

Diamenty są surowcem do tworzenia brylantów - kamieni szlachetnych stosowanych w jubilerstwie. Ze względu na swoją wysoką twardość są stosowane w narzędziach (w tym diamenty syntetyczne) do skrawania, szlifowania, wiercenia. Używa się do produkcji tranzystorów polowych. Wyzyskując mechaniczne własności np. w kowadłach diamentowych.

Węgiel aktywowany jest używany w medycynie przy zatruciach oraz do procesów oczyszczania cieczy i gazów. Sadza jest ważnym składnikiem wielu procesów produkcyjnych.