Węgiel - właściwości chemiczne

Węgiel jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na świecie, jest jedyną skałą, która pali się wydzielając dużo energii.

Większość złóż węgla formowała się od 360 do 286 milionów lat temu i właśnie z tego powodu okres ten nazywamy karbonem. Węgiel powstawał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadały na dno bagnistych jeziorzysk i lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. Zjawisko to można obserwować również współcześnie. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zamieniają się w torf, procesowi temu towarzyszy wydzielanie metanu. Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 metrów może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancje roślinną, na złożach torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku milimetrów do kilku metrów.

Na świecie pozostały jeszcze bogate złoża węgla. Ocenia się, że stosunkowo niewielkim kosztem można będzie wydobyć około 910 miliardów ton, natomiast przy większych nakładach finansowych, liczba ta może osiągnąć nawet 1800 miliardów. Przy obecnym zużyciu paliw, węgiel powinien wystarczyć nam na 200 lat.

Węgiel wydobywa się stosując dwie podstawowe metody: głębinową i odkrywkową. Pierwsza z nich wymaga zbudowania pionowego szybu wiodącego do złoża, które ma być eksploatowane. Druga o wiele tańsza, polega na wydobywaniu węgla z pokładów położonych na małych głębokościach. W przypadku złóż o małym nachyleniu, czyli położonych w górach bądź na terenie pagórkowatym, buduje się sztolnie, czyli korytarze mające wlot na powierzchni i prowadzące w głąb tunelu.

Węgiel jako pierwiastek znajduje się w 14 grupie układu okresowego Mendelejewa. W przyrodzie występuje w stanie wolnym i związanym. Stan związany to węglany, ropa, gaz ziemny i węgle kopalne. Stan wolny możemy podzielić na 3 odmiany alotropowe: diament, grafit i fullereny.
Diament:
- najtwardszy ze znanych minerałów, jest przezroczystym ciałem stałym
- jest bezbarwny lub błękitny, niebieski, żółty lub brunatny do czarnego
- jego gęstość wynosi w przybliżeniu 3,5g/cm3
- jest półprzewodnikiem
- jest dobrym przewodnikiem ciepła
- jest trudno topliwi i odporny na działanie kwasów i zasad
- spala się w wysokiej temperaturze
- stosowany jest jako brylanty do biżuterii
- służy do wyrobu narzędzi wiertniczych oraz do ciecia twardych materiałów i szkła

Grafit:
- miękki
- łupliwy
- stalowoszary
- jego gęstość wynosi 2,3 g/cm3
- jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego
- jest odporny na wysokie temperatury
- wyrabia się z niego cegły ognioodporne
- z niego jest wytwarzany wkład do ołówków
- wytwarza się z niego czarne farby chroniące żelazo przed korozją
- służy do wyrobu „suchych” smarów zmniejszających tarcie
- stosowany jest w reaktorach jądrowych
- wytwarza się z niego naczynia ognioodporne i elektrody

Fullereny:
- wykazują właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe
- rozpuszczone w benzynie przyjmują czerwone zabarwienie
- C60 jest półprzezroczystym, brązowy ciałem stałym o metalicznym połysku
- jego gęstość wynosi 1,65 g/cm3
- nie rozpuszcza się w wodzie ani eterze, rozpuszcza się w węglowodorach

Połączenia atomów węgla w poszczególnych odmianach alotropowych.

W diamencie każdy atom ma cztery wiązania kowalencyjne z innymi atomami, w graficie atomy węgla tworzą warstwy w których każdy atom ma 3 wiązania kowalencyjne, warstwy te są od siebie oddalone. Atomy węgla w fullerenach łączą się z sobą tworząc futbolany.