Węgiel – jako podstawowy składnik przyrody ożywionej – występuje zarówno w stanie wolnym (grafit, diament, węgle kopalne), jaki w związkach chemicznych (np. CO2, węglany, gaz ziemny, ropa naftowa).
Konfiguracja elektronowa atomu węgla: 1s2 2s2 2p2.
Stopnie utlenienia węgla w związkach: II, IV, –IV.
Znane są trzy odmiany alotropowe węgla: diament, grafit oraz fulereny. Diament i grafit posiadają budowę krystaliczną, a fulereny cząsteczkową.
| Diament | Grafit |
| przeźroczysta substancja krystaliczna, bardzo twarda, co zadecydowało o jego zastosowaniu, np. do szlifowania metali, wyrobu noży do cięcia szkła, stosowany w jubilerstwie jako brylant (oszlifowany diament); w kryształach diamentu każdy atom węgla jest otoczony tetraedrycznie czterema innymi atomami, atomy połączone są silnymi wiązaniami kowalencyjnymi jednakowej długości (orbitale walencyjne atomów węgla są w stanie hybrydyzacji sp3 i wszystkie elektrony walencyjne są wykorzystane do tworzenia wiązań) |
miękka, stalowoszara, nieprzeźroczysta substancja, posiada połysk zbliżony do metalicznego, odporna na działanie wysokich temperatur, przewodzi ciepło i prąd elektryczny, i stąd służy np. do wyrobu elektrod, ogniw i baterii; w kryształach grafitu atomy węgla ułożone są w warstwach, w których każdy atom węgla połączony jest z trzema atomami, odległości między warstwami są większe niż odległości między atomami w warstwie; wiązania między warstwami są więc słabsze niż wiązania między atomami węgla w warstwie (orbitale walencyjne atomów węgla są w stanie hybrydyzacji sp2; trzy z czterech walencyjnych elektronów każdy atom węgla wykorzystuje do tworzenia wiązań w warstwie, a pozostały czwarty swobodnie się porusza jako gaz elektronowy) |
W wyniku spalania węgla przy niedostatecznej ilości tlenu powstaje tlenek węgla(II):
2 C + O2 → 2 CO
Ten bezbarwny, bezwonny, bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie gaz jest toksyczny (nazwa zwyczajowa – czad). Z chemicznego punktu widzenia jest tlenkiem obojętnym.
Przy dostatecznym dopływie tlenu węgiel spala się do tlenku węgla(IV):
C + O2 → CO2
Tlenek węgla(IV) to bezbarwny, bezwonny, niepalny, cięższy od powietrza gaz. Jest przykładem gazu cieplarnianego. Do wykrycia CO2 w układzie służy reakcja z wodą wapienną, która pod wpływem tego gazu ulega zmętnieniu:
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O
Jako tlenek kwasowy reaguje z zasadami tworząc sole zwane węglanami, np.
CO2 + 2 NaOH → Na2CO3 + H2O
W reakcji z wodą tlenek ten tworzy kwas węglowy, który jest kwasem słabym i nietrwałym. Do wykrycia jonów CO32– w roztworze wodnym służy reakcja z wodnym roztworem chlorku wapnia, który spowoduje wytrącenie białego osadu, co przedstawiono równaniem jonowym:
Ca2+ + CO32– → CaCO3↓
Działając kwasem solnym na węglan wapnia obserwujemy gwałtowny przebieg reakcji (pienienie się):
CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O