Węgiel

Węgiel jest pierwiastkiem najczęściej występującym w przyrodzie. Węgiel (carbon) jest to niemetal o liczbie atomowej równej 6, masie atomowej równej 12,01. Pierwiastek ten należy do IV grupy układu okresowego. Należy do grupy węglowców, jest niemetalem. Sub-limuje bez stopnienia w temperaturze 3653C. W temperaturze pokojowej jest chemicznie nieaktywny. Pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 12 i symbolu C należy do grupy wę-glowców. Węgiel był znany człowiekowi od czasów starożytnych. W przyrodzie pierwiastek ten występuje w stanie wolnym, a także w związkach chemicznych (węglany, dwutlenek wę-gla, związki organiczne biosfery oraz paliwa kopalne). Jest najważniejszym pierwiastkiem biogennym. Węgiel jest niemetalem mało aktywnym chemicznie. W związkach występuje na +II (CO), +IV i -IV stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej węgiel łączy się z tlenem w sposób niezwykle powolny, natomiast szybkość ta bardzo wzrasta przy podwyższeniu tem-peratury. Przy pełnym dostępie tlenu powstaje CO2, przy niedostatecznym CO. Węgiel ma właściwości redukujące, wiele metali można otrzymać przez ogrzewanie ich tlenków z wę-glem. W bardzo wysokiej temperaturze węgiel łączy się bezpośrednio z niektórymi metalami, tworząc węgliki. Węgliki to związki chemiczne węgla z metalami lub niektórymi niemetalami . Otrzymywane są przez bezpośrednią syntezę z pierwiastków lub redukcję tlenków węgla w wysokiej temperaturze. Są substancjami krystalicznymi. Węgliki litowców, berylowców i borowców ulegają działaniu wody i kwasów, przy czym wydziela się odpowiedni węglowo-dór np. węglik wapnia CaC2, zwany karbinem, reaguje z wodą tworząc acetylen C2H2: CaC2+2H2OCa(OH)2+C2H2. Wiele węglików metali przejściowych oraz węglik boru i krzemu odznaczają się dużą twardością, wysoką temperaturą topnienia, odpornością na dzia-łanie wody i kwasów. Stosuje się je w postaci spieków do produkcji narzędzi skrawających , materiałów ogniotrwałych, materiałów ściernych i elementów grzejnych do pieców elektrycz-nych jako reduktory.
Dwutlenek węgla reagując z wodą daje słaby i nietrwały kwas węglowy, jego wzór to H2CO3 jest to związek nieorganiczny, słaby i jest to dwuzasadowy kwas. Jest bezwodnikiem kwasowym i reaguje z zasadami dając sól. Tworzy się w niewielkiej ilości podczas rozpusz-czania dwutlenku węgla w wodzie w wyniku reakcji: CO2+H2O  H2CO3. W czasie za-gęszczania roztworu ulega rozkładowi, nie można otrzymać go w stanie wolnym. Kwas ten tworzy dwa szeregi pochodnych: węglany obojętne i wodorowęglany. Węglany są bardzo ważną i liczna grupą minerałów. Często towarzyszą złożom rudnym lub same stanowią źródło ważnych metali. Anion (CO3-) tworzy w węglanach połączenia z kationami metali takich jak magnez, żelazo, wapń, cynk, mangan, ołów, miedź, a niekiedy także z anionami dopełniają-cymi - (OH)-, (Cl))-Najważniejszymi przedstawicielami węglanów są: kalcyt, dolomit, syde-ryt i magnezyt:

• Kalcyt jest ważnym minerałem skałotwórczym. Tworzy on bardzo urozma-icone formy skupień. Oprócz skupień ziarnistych, zbitych i włóknistych wy-stępują formy naciekowe - stalaktyty i stalagmity. Minerał ten jest głównym składnikiem osadowych skał wapiennych, pochodzenia zarówno organicz-nego jak i chemicznego. Obecny jest w złożach żyłowych pochodzenia hy-drotermalnego. W grupie skał metamorficznych stanowi podstawowy skład-nik marmurów. W glebach kalcyt odgrywa również bardzo istotną rolę, wpływając na szereg ich właściwości (przede wszystkim przeciwdziała za-kwaszaniu gleb, działa również strukturotwórczo). W warunkach klimatu humidowego kalcyt jest łatwo wypłukiwany w głąb profilu glebowego, ze względu na łatwą rozpuszczalność w roztworze kwasu węglowego. W kli-macie aridowym dochodzi do nagromadzenia dużych jego ilości w górnych poziomach profilu glebowego.

• Dolomit jest solą podwójną MgCO3 • CaCO3, prawie zawsze zawierającą domieszki żelaza, czasem również cynku, niklu i kobaltu. Jest on głównym składnikiem skał o tej samej nazwie tj. dolomitów, a także marmurów dolo-mitowych. Znany jest ponadto z żyłowych utworów hydrotermalnych.

• Syderyt jest ważną rudą żelaza, o zawartości tego pierwiastka około 48,3%. Występuje w skupieniach drobnokrystalicznych, zbitych. Jest obecny w ska-łach osadowych, w pęcherzach pogazowych skał wulkanicznych, żyłach po-chodzenia hydrotermalnego. Może także tworzyć konkrecje i pokłady w utworach pochodzenia sedymentacyjnego i torfach.

• Magnezyt występuje w skałach osadowych, dolomitach, a także w postaci żył w zwietrzałych skałach serpentynitowych. Magnezyt wypalony służy do wyrobu materiałów ogniotrwałych, specjalnych cementów i izolatorów elek-trycznych, znajduje również zastosowanie w przemyśle papierniczym.

Węglany kwaśne – wodorowęglany: sole i estry (b. nietrwałe) kwasu węglowego za-wierające jon HCO3-. Najważniejsze: wodorowęglan sodu NaHCO3, wodorowęglan amonu NH4HCO3. Węglany obojętne – np. CaCO3 – słabo rozpuszczalny w wodzie. Węgiel ma zastosowanie jako ważny surowiec energetyczny, natomiast organiczne związki węgla stano-wią podstawę życia na Ziemi i są używane w przemyśle chemicznym. Jeden z izotopów wę-gla, C-14, jest promieniotwórczy. Izotop ten ma kluczowe znaczenie w wielu badaniach bio-chemicznych.
Atomy węgla występują także w cząsteczkach gazu ziemnego i ropy naftowej, które są także zaliczane do minerałów. Węglany pochodne nieorganiczne, sole organiczne, estry nie-trwałego kwasu węglowego. Sole podczas ogrzewania rozkładają się z wydzieleniem CO2. Bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Estry są cieczami o przyjemnym zapachu, wrzącymi bez rozkładu, stosowanymi w syntezie organicznej. Poliestry kwasu węglowego – poliwęgla-ny, które są tworzywami termoplastycznymi.

Konfiguracja elektronowa atomu węgla w stanie wzbudzonym 1s22s12p3 Zatem atom węgla w stanie wzbudzonym ma cztery nie sparowane elektrony walencyjne, które pojedyn-czo obsadzają cztery orbitale drugiej powłoki. Taki atom węgla zdolny jest do utworzenia czterech trwałych wiązań kowalencyjnych. Z konfiguracji powłoki walencyjnej wynika, że orbital 2s ma inną energię niż trzy pozostałe orbitale 2p3. Czy oznacza to, że tworzy on inny rodzaj wiązania. Reakcje chemiczne dowodzą, że wszystkie (cztery) wiązania atomu węgla w związkach organicznych mają ten sam charakter. Stosując duże uproszczenie możemy przy-jąć, że następuje "wymieszanie" czterech orbitali walencyjnych powłoki atomu węgla, co prowadzi do uśrednienia ich energii. Dzięki temu każdy z nich może tworzyć takie same wią-zania. Zatem jedną z podstawowych właściwości atomu węgla jest zdolność do tworzenia czterech równo cennych wiązań. Drugą ważną cechą jest możliwość wiązania się atomów węgla między sobą w cząsteczki zawierające od dwóch do wielu tysięcy atomów. Wysoka wartość energii wiązania kowalencyjnego między atomami węgla (C-C) powoduje dużą trwa-łość związków organicznych i pozwala na tworzenie przez węgiel niekiedy bardzo długich łańcuchów prostych, rozgałęzionych, zamkniętych i pierścieni.

Węgiel jest jednym z najważniejszych pierwiastków w przyrodzie jako podstawowy składnik organizmów żywych. Historia wydobycia węgla liczy już ponad półtora wieku, a w 1993 r. jego łączna produkcja osiągnęła 3655 mln ton. Natomiast łączne wydobycie do 1980 r. ocenia się na 140 mld ton, przy czym 60% jego ogólnej produkcji spala się w elektrow-niach, 25% przetwarza w koksowniach, 15% w postaci bezpośredniej zużywa przemysł i lud-ność. Pierwsza kopalnia węgla powstała w 1113r. w południowych Niemczech w Aachen. Jest ciałem stałym, z grupy węglowców, niemetalem, nie rozpuszcza się w wodzie, kwasach i zasadach. Związki węgla są głównym źródłem energetycznym człowieka.
Metoda wydobycia węgla zależy od głębokości zalegania jego pokładów . Wyróżnia się dwa podstawowe typy kopalni: podziemne i odkrywkowe. Kopalnie podziemne - jest to system tuneli przecinających złoże. Najgłębsze kopalnie znajdują się w RPA (3500 m głębo-kości). Metoda odkrywkowa polega na stopniowym odkrywaniu wierzchnich warstw pokry-wających pokład węgla i stosowana jest w przypadku zalegania węgla na niewielkiej głębo-kości. Kopalnie odkrywkowe stanowią duże zagrożenie dla środowiska, ze względu na nie-odwracalne zmiany terenu, jakie powoduje ta metoda wydobycia.

Węgiel najczęściej jest spotykany w formie kopalnej. Węgiel kopalny jest skałą osa-dową z różnych organicznych związków roślinnych. Jest także produktem zwęglenia substan-cji organicznych, przede wszystkim drewna. Zwęglanie się substancji następowało bez dostę-pu powietrza. W ciągu długich okresów geologicznych im starsze są produkty węgla kopalne-go lub większa % zawartość węgla, tym mniejsza zawartość pozostałych składników tlenu lub wodoru. Oprócz węgla w pokładach kopalnych występuje także wodór, tlen, siarka i azot. W zależności od substancji roślinnych, z których powstał węgiel wyróżniamy: węgle humusowe (humolity), najczęściej spotykane, powstały na terenach torfowisk z szczątków roślin lądo-wych, węgle sapropelowe (sapropelity), które powstały z roślin morskich, głównie glonów, oraz węgle liptobiolitowe (liptobiolity), powstałych głównie z związków żywicznych roślin.

Ze względu na procentową zawartość węgla wyróżnia się: torf, węgiel brunatny, wę-giel kamienny, oraz antracyt i sztungit. Największą zawartość węgla ma sztungit. Jest najstar-szym węglem kopalnym. Zawartość węgla wynosi 98,2%. Występuje w okolicach jeziora Onega w Rosji, w Szwecji, Kanadzie i w Indiach. Jest wykorzystywany w przemyśle che-micznym. Po sztungicie najwięcej węgla zawiera antracyt (94-96%). Jest głównie używany do wyrobu elektrod i jako surowiec energetyczny. Następny jest węgiel kamienny. W przyrodzie występują różne rodzaje węgla kamiennego. I tak: węgiel płomienny i węgiel chudy wykorzy-stywany jest do budowy pieców przemysłowych, generatorów i pieców domowych. Węgiel gazowo-płomienny służy do wyrobu pieców przemysłowych i domowych, oraz do wytlewa-nia i uwodorniania. Węgiel gazowy, jak i węgiel gazowo – koksowy, używany jest w gazow-nictwie i koksownictwie. Węgiel ortokoksowy używa się do produkcji koksu metalurgiczne-go. Do produkcji koksu odlewniczego wykorzystuje się węgiel metakoksowy, natomiast wę-giel semikoksowy w koksownictwie służy jako dodatek schudzający wsad węglowy. Węgiel antracytowy wchodzi w skład paliwa specjalnego.

Węgiel ten składa się z: od 78 do 92% węgla ,2,5 - 5,5% z H, 2,5 - 18% z O i innych składników mineralnych w mniejszej ilości, oraz z wody (1 - 8%). Jest najliczniej spotyka-nym węglem kopalnym. Używa się go głównie jako surowca energetycznego oraz do otrzy-mania koksu, smoły, benzyny, gazów. Wydobywa się go w kopalniach głębinowych. Węgiel kamienny, jako surowiec stały, nie wydostaje się samoczynnie na powierzchnię ziemi. Zasoby węgla kamiennego, zalegające w dwóch zagłębiach, Górnośląskim i Dolnośląskim, obejmują węgle różnych typów. Są tam węgle energetyczne zdające się do zużycia w paleniskach przemysłowych i domowych oraz generatorach. Powstał z martwych szczątków roślin w wy-niku złożonych przemian biochemicznych, geofizycznych i geochemicznych w okresie kar-bonu, permu i trzeciorzędu. Rozkład biochemiczny szczątków roślinnych torfowiska jest wy-padkową wielu procesów fizykochemicznych i reakcji chemicznych przy udziale bakterii, grzybów i enzymów. Przebieg tego procesu ma ogromny wpływ na skład petrograficzny wę-gla. Rozróżnia się cztery rodzaje skał węglowych (makrolitypy): węgiel błyszczący, półbłysz-czący, matowy i włóknisty. Pionowe szyby umożliwiają dowóz górników do położonych na znacznych głębokościach pod ziemią złóż węgla i wywóz urobku na powierzchnię. czarny, zwarty, kruchy; paląc się daje długi, błyszczący płomień. Największe złoża węgla kamienne-go: Federacja Ros. (m.in. zagłębia: Leńskie, Tunguskie, Kuźnieckie, Peczorskie), Ukraina (gł. Zagłębie Donieckie), USA (m.in. stany: Wirginia, Pensylwania, Ohio, Kentucky), Kanada (gł. prow. Alberta), Niemcy (m.in. zagłębia: Ruhry i Saary), Chiny (zwł. prow. Shanxi), RPA (gł. Transwal), W. Brytania (zagłębia: Yorkshire, Derbyshire, Durham i in.), Polska (Zagłębie Górnośląskie- grubość pokładów 2 metry, ułożone są prawie poziomo, ¼ to węgiel koksujący, Zagłębie Dolnośląskie – wydobycie węgla jest tu mało opłacalne ponieważ pokłady są cien-kie, zawodnione, występuje metan. Mimo że węgiel jest dobry, kopalnie zaczęto likwidować, Zagłębie Lubelskie – jest ono najmłodszym w Polsce zagłębiem i działa tam na razie tylko jedna kopalnia w Bogdance. Pokłady węgla zalęgają tu dość głęboko, a warunki hydrogeolo-giczne nie są korzystne.), Indie (gł. dorzecze rz. Damodar), Australia (Nowa Pd. Walia, Qu-eensland). Węgiel kamienny jest ważnym paliwem wykorzystywanym bezpośrednio (spala-nie) lub po przeróbce chemicznej do celów energetycznych, a także surowcem dla przemysłu chemicznego. Jest kaloryczny 5000-7500 kcal/kg. Wydobycie węgla kamiennego w ostatnich latach maleje, co spowodowane jest wydobyciem na większych głębokościach, likwidacją starych i nierentownych kopalń, oraz stosowaniem energooszczędnych technologii i maszyn. Węgiel kamienny wykorzystuje się głównie jako surowiec energetyczny w elektrowniach węglowych, elektrociepłowniach i systemach ogrzewania. Duże ilości węgla są zużywane w przemyśle do opalania pieców hutniczych. Do niedawna stanowił on podstawowy surowiec energetyczny, w chwili obecnej jego znacznie maleje na rzecz gazu ziemnego i energii jądro-wej.

Po węglu kamiennym jest węgiel brunatny. Rozciąga się między Wartą i górnym bie-giem Nysy. Zasoby są tam szacowne na wiele miliardów ton. Zawiera 65 do 75 procent czy-stego węgla. Jest przede wszystkim surowcem energetycznym ale służy także do wytwarza-nia, smoły wylewnej, benzyny, olejów opałowych i smarów. Powstał w trzeciorzędzie, mało kaloryczny (2000 kcal/kg) Występuje: Zagłębie Konińskie (Konin, Turek, Koło), Zagłębie Turoszowskie (Bogatynia, Turoszów), Zagłębie Bełchatowskie – największe zasoby. Wydo-bywany jest metodą odkrywkową. Przyczynia się to do obumierania roślin, dostarcza dużo siarki do atmosfery, powoduje kwaśne deszcze (wł. kruchy, dużo H2O). Odmiany węgla bru-natnego: węgle ksylitowe, węgle miękkie, węgle twarde. Główne złoża: Niemcy (Saskie Za-głębie Węglowe, Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Ro-sja (Zagłębie Kańsko-Aczyńskie, Zagłębie Podmoskiewskie), Czechy (gł. Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), USA, Kanada, Australia (Latrobe), Indie. Stosowany jest jako tani mate-riał opałowy, jest cennym surowcem chemicznym przerabianym w procesach wytlewania, zgazowania i uwodorniania węgla; z niektórych gatunków węgla brunatnego ekstrahuje się tzw. wosk montanowy. Węgiel brunatny jest też używany jako podłoże, gł. w ogrodnictwie, a także jako czynnik użyźniający glebę.
Najmniejsza liczba czystego węgla jest w torfie, który zawiera mniej niż 60 procent tego pierwiastka, gdyż jest to produkt częściowego rozkładu roślin w warunkach nadmiernej wilgotności. Stosowany jest jako paliwo, kompost, oraz w ogrodnictwie i leśnictwie.

Węgiel występuje także w formie alotropowej, czyli jako sam pierwiastek w różnych formach. Najczęściej potykaną formą alotropową jest grafit. Grafit występuje jako szary lub czarny minerał głównie w łupkach grafitowych. Jest Miękki, mało aktywny chemicznie, do-brze przewodzi prąd. Ma gęstość równą 2,3 g/cm3 . Może także być otrzymywany sztucznie. Używany jest do wyrobu ołówków, tuszu, elektrod, a także używa się go w reaktorach jądro-wych. Drugą formą alotropową węgla jest diament. Jest to najtwardszy minerał i zarazem najcenniejszy kamień szlachetny. Jest najczęściej bezbarwny, ale bywa także żółty oraz błę-kitny. Diament ma bardzo silny połysk, oraz bardzo mocno załamuje światło. Jest także two-rzony syntetycznie z węgla w temperaturze ok. 3000C i ciśnieniu 10 000 atmosfer. Diamenty są wykorzystywane głównie w jubilerstwie oraz przemyśle. Występują głównie w RPA, Ro-sji, Indiach, Brazylii oraz Namibii.

Ostatnią formą alotropową węgla jest Flueren. Flueren nie występuje w przyrodzie, można go otrzymać przez odparowanie grafitu w próżni lub gazie obojętnym. Jest zbudowany z parzystej liczby atomów węgla. Jego wzór to CN gdzie N jest ilością atomów węgla w czą-steczce. Najczęściej N ma wartość 60 i 70. Dla ciekawostki podam, że największą do tej pory zaobserwowaną cząsteczką jest C960. Z węgla w procesie suchej destylacji, inaczej nazywa-nej odgazowywaniem węgla możemy uzyskać koks, który jest wysokoenergetycznym pali-wem o zawartości węgla pierwiastkowego do 96%. Koks jest wykorzystywany głównie w metalurgii, jako paliwo, do wytwarzania karbidu oraz jako surowiec chemiczny. Proces su-chej destylacji węgla polega na ogrzewaniu węgla bez dostępu powietrza w temperaturze 900–1300C (koksowanie), lub 500-600C (wytlewanie). W wynik procesu otrzymuje się koks, albo półkoks, oraz liczne produkty uboczne w formie ciekłej (smoła węglowa, woda pogazowa), oraz gazowej (gaz węglowy, koksowniczy).

Rola węgla w przyrodzie jest olbrzymia, przede wszystkim dlatego, że jest on podsta-wowym pierwiastkiem wszystkich związków organicznych.. Formy występowania w przyro-dzie są bardzo różnorodne. Występuje jako zasadniczy składnik we wszystkich tkankach ży-wych organizmów, występuje w produktach przemiany oraz produktach rozkładu substancji organicznej, ponadto występuje w atmosferze i hydrosferze w postaci dwutlenku węgla. Tle-nek węgla, CO, jest powszechnie znany jako trujący gaz powstający w wyniku niecałkowite-go spalania węgla lub paliw węglowodorowych, np. gazu ziemnego i benzyny.

Węgiel stanowi zasadniczy składnik asfaltu, ropy naftowej, będących mieszaninami stałych lub ciekłych węglowodorów. Również gaz ziemny składa się z węglowodanów sta-nowiących obok grupy naftowej ważny surowiec energetyczny i chemiczny. W przyrodzie nieorganiczne związki węgla (węglany) występują jako: kreda, marmur, nolomity, wapniaki, i inne.
Na podsumowanie można stwierdzić, że węgiel jest jednym z najważniejszych pier-wiastków w życiu człowieka. Gdyby nie minerały składające się z węgla, takie jak np. węgle kopalne, grafit, ropa naftowa i gaz ziemny nie był by możliwy rozwój cywilizacyjny, który się głównie opiera na związkach zawierających węgiel, a także nie było by możliwe normalne życie na ziemi.