Węgiel

Węgiel zajmuje szczególne miejsce wśród pierwiastków. Część jego związków tradycyjnie należy do grupy związków nieorganicznych, ale większość należy umieścić w grupie związków organicznych. Podział ten obecnie ma znaczenie wyłącznie tradycyjne, nie ma znaczenia logicznego.
Do związków nieorganicznych węgla należą:
• Tlenek węgla (II) CO
• Tlenek węgla (IV) CO2 i jego pochodne
• Węgliki , czyli bezpośrednie połączenia węgla z innymi pierwiastkami, najczęściej z metalami
• Kwas cyjanowodorowy (kwas pruski) i jego sole, czyli cyjanki
• Kwas cyjanowy HOCN, i jego sole- cyjaniany
• Dicyjan.
Węgiel, występujący w przyrodzie w wielu postaciach, np. węgla kamiennego, brunatnego, grafitu, czy torfu, zajmuje dopiero 14 miejsce pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie.
W naszym języku słowo węgiel ma dwa znaczenia: określa węgiel, jako pierwiastek, i węgiel, jako surowiec kopalny, tzw. techniczny. W przyrodzie węgiel występuje zarówno w stanie wolnym (diament czy grafit), jak i w postaci związków chemicznych.
Węgiel kopalny
Powstawał na przestrzeni milionów lat z drzewiastych paprotników. Rośliny te na skutek wybuchów wulkanów i ruchów tektonicznych zostały wgniecione pod ziemię, i sprasowane przez gromadzące się na powierzchni kolejne warstwy gleby i skał. Tam wolno przemieniały się w węgiel- oto pokrótce proces zwęglania.
Ze względu na zawartość węgla w kopalinie wyróżniamy różne rodzaje węgli kopalnych.
• Największą , bo wynoszącą ok. 98%, zawartość ma antracyt,
• Najmniej węgla zawiera torf, czyli najmłodsza geologicznie skała osadowa. Torfowiska powstały w wyniku rozkładu roślin bagiennych, czyli mchów, sitowia, trzcin i traw. Tworzenie torfowiska to pierwszy etap zwęglania szczątków roślinnych.
Węgle kopalne są wykorzystywane głównie jako źródło energii cieplnej i elektrycznej.
Siarka to jedno z głównych zanieczyszczeń węgla kamiennego, dlatego podczas spalania węgla nią zanieczyszczonego do atmosfery emitowany jest też tlenek siarki (IV). On następnie powoli utlenia się do tlenku (VI). Oba tlenki reagują z wodą i tworzą, znane nam wszystkim, kwaśne deszcze.
Węgiel kamienny, poddany przeróbce chemicznej i termicznej, staje się surowcem dla otrzymania wielu innych substancji. Ważny jest tu proces suchej destylacji węgla, czyli popularnie zwane koksowanie. W jego wyniku otrzymywany jest m.in. gaz koksowniczy i koks.
Węgiel – pierwiastek chemiczny
Atom węgla składa się z dodatniego jądra, na które muszą się złożyć protony i neutrony, w licznie po 6 każdy. W chmurze elektronowej (na orbitach) znajduje się 6 elektronów.
Konfiguracja atomu węgla 6C: K3, L4 świadczy o tym , że węgiel znajduje się w drugim okresie i 14 grupie oraz, że ma 4 elektrony walencyjne zdolne do tworzenia wiązań.
Odmiany alotropowe
Przyjmuje się, że dowodem na obecność węgla w danej substancji jest otrzymanie w procesie jej spalania tlenku węgla (IV) CO2. Tą metodą potwierdzono, że grafit i diament, to dwie odmiany alotropowe węgla.
Grafit
• Nieprzezroczysta, szara substancja bardzo miękka, i to aż do tego stopnia, że można nią pisać
• Temp. Topnienia- ok. 3500oC
• Przewodzi prąd elektryczny, ale słabiej niż metale
Diament
• Najtwardsza z naturalnych substancji, tworzące piękne, przezroczyste kryształy
• Są one często poddane oszlifowaniu , i odtąd mianuje się je brylantami
• Masę diamentu określa się w karatach
• Zniszczenie diamentu nie jest sprawą prostą- można to uczynić skupiając na kamieniu światło słoneczne, przy użyciu silnej soczewki, wtedy diament znika, pozostawiając po sobie tylko CO2
• Kryształy diamentu stosuje się w: wyrobach jubilerskich, jako materiał ścierny i w ostrzach narzędzi do cięcia szkła, czy do wiercenia
• Można otrzymać diament przy zastosowaniu bardzo wysokiego ciśnienia (z grafitu)- metoda ta jest bardzo kosztowna, lub bombardując grafit elektronami
Grafit i diament, różnią się tak bardzo swymi właściwościami, na skutek zupełnie innej budowy wewnętrznej.
Fuleren
To jeszcze jedna odmiana alotropowa węgla. Jego poznanie zawdzięczamy zainteresowaniom naukowców związkami występującymi w przestrzeni kosmicznej. Próby otrzymania takich samych cząsteczek już na Ziemi zaowocowały tym, że naświetlając grafit wysokoenergetyczną wiązką laserową, otrzymano trzecią odmianę alotropową węgla.
Ostatnie lata przyniosły odkrycia tej odmiany też w ziemskiej przyrodzie
Inne rodzaje węgla
Na co dzień mamy do czynienia jeszcze z innymi materiałami, składającymi się m. in. także z węgla pierwiastkowego, jak np. węgiel drzewny, kostny, aktywny, leczniczy, czy sadza.
Węgiel drzewny
Powstaje podczas suchej destylacji drewna. Od czasów prehistorycznych używano go do wytopu metali z rud. Obecnie stosuje się go np. jako paliwo w urządzeniach ogrodowych do smażenia potraw.
Jego wielką zaletę stanowi to, że nie ma on zanieczyszczeń w postaci siarki.
Węgiel kostny
To produkt destylacji odtłuszczonych kości, stosuje się go głównie jako pigment, przy wyrobie czarnych farb.
Węgiel aktywny
Zwany też aktywowanym. To drobnokrystaliczna postać węgla, otrzymywana przez prażenie mieszaniny torfu z drewnem i trocinami, bez dostępu tlenu. Ma on bardzo rozwiniętą powierzchnię, i duże właściwości chłonne, jest to wykorzystywane np. w filtrach oczyszczających wodę czy kuchennych okapach.
Węgiel leczniczy
W jego wypadku wykorzystuje się tą samą właściwość. Jest on zażywany przy zatruciach, bo dobrze adsorbuje substancje toksyczne.
Sadza
Powstaje ona podczas spalania substancji organicznych przy ograniczonym dostępie powietrza. Pokrywa ona np. powierzchnie garnków, kominów czy ruszty. Jest to jedna z przyczyn złego funkcjonowania tych urządzeń.
Jest to bardzo miałki, czarny proszek, nierozpuszczalny w wodzie. Stosowana jest do wyrobu tuszu, farb drukarskich i do produkcji gumy.
Ma ona właściwości chorobotwórcze, długotrwały z nią kontakt wzmaga podatność na zachorowanie na raka skóry.