„Węgiel jako pierwiastek chemiczny”.

Nazwa	Węgiel
Symbol	C
Liczba atomowa	6
Masa atomowa	12,011
Temperatura topnienia	3550^oC
Temperatura wrzenia	4827^oC
Stopnie utlenienia	II, IV, VI

Węgiel nie należy do dziesięciu pierwiastków najbardziej rozpowszechnionych na Ziemi, ustępując pod tym względem nawet mniej pospolitemu tytanowi. Zajmuje natomiast szóste miejsce, jeżeli chodzi o rozpowszechnienie we Wszechświecie. Spośród pierwiastków występujących na Ziemi w stanie stałym to właśnie węgiel jest najbardziej rozpowszechniony we Wszechświecie.

W atmosferze ziemskiej występują dwa gazy zawierające węgiel: dwutlenek węgla i metan. Są one rozproszone w dużych ilościach azotu i tlenu, można je jednak rozgęszczać i wykorzystywać do celów praktycznych.

Węgiel ma podstawowe znaczenie dla życia roślin i zwierząt na Ziemi. Każda żywa komórka jest zbudowana z cząsteczek zawierających atomy węgla i wodoru. Struktura każdej cząsteczki organicznej - od komórki ludzkiego mózgu do benzyny - jest oparta na atomach węgla.

Historia pierwiastka. Węgiel drzewny, węgiel kopalny i sadza były wykorzystywane praktycznie już w czasach przedhistorycznych. W starożytności ceniono diamenty jako kamienie szlachetne, co wynika z najstarszych kronik pisanych. Wszystko to są odmiany naturalnego pierwiastka 6 - węgla. Nie jest możliwe przypisanie zasługi odkrycia tego pierwiastka jakiejś konkretnej osobie.

Dokładniej poznano węgiel jako pierwiastek w drugiej połowie XVIII wieku. Kilku wybitnych chemików wykazało wówczas, że węgiel bezpostaciowy (pospolita sadza), grafit i diament to różne odmiany tego samego pierwiastka.

Właściwości węgla. Węgiel rozpoczyna grupę IVA (14) układu okresowego pierwiastków. Z tlenem wiąże się powoli w temperaturze pokojowej, szybciej w temperaturze umiarkowanie wysokiej, błyskawicznie natomiast w temperaturze czerwonego żaru. Większość metali można otrzymać przez ogrzewanie ich tlenków węgla. Na przykład żelazo otrzymuje się przez redukcję jego tlenku koksem.

Węgiel ma trzy ogólnie znane odmiany alotropowe: węgiel bezpostaciowy, grafit i diament. Jednej odmiany węgla nie można przekształcić w inną po prostu przez zmianę temperatury, co jest możliwe w przypadku odmian alotropowych innych pierwiastków. Odmiany węgla powstawały w ciągu pewnego czasu z określonych materiałów w określonych warunkach ciśnienia i temperatury. Po zakończeniu tego procesu bardzo trudno jest przekształcić jedną odmianę w inną.

Otrzymywanie węgla. Elementarny węgiel wydobywa się na ogół z ziemi, zwykle jako węgiel kopalny, lecz również jako grafit i diament. Te naturalne formy węgla nie zawsze nadają się do praktycznego wykorzystania, opracowano więc przemysłowe metody ich przekształcania, umożliwiające otrzymanie pożądanego produktu.

Koks jest produktem zawierającym do 94% węgla. Co roku wytwarza się znaczne jego ilości, by zaspokoić potrzeby metalurgii. Koks otrzymuje się przez ogrzewanie węgla kamiennego w piecach bez dostępu powietrza. Po rozkładzie zanieczyszczeń i odgazowaniu pozostaje prawie czysty węgiel. Koks rozdrabnia się na kawałki o średnicy 2 - 10 cm.

Węgiel sproszkowany, czyli sadzę lampową, stosuje się w przemyśle poligraficznym; można ją prasować w określone kształty (np. pałeczki węglowe stosowane w suchych bateriach). Sadzę taką otrzymuje się przez spalanie metanu w specjalnej komorze o metalowych ścianach chłodzonych wodę, pozbawionej dopływu zewnętrznego tlenu. Na skutek niedoboru tlenu gaz pali się żółtym płomieniem, wytwarzając gęstą czarną sadzę, osadzającą się na ścianach komory, z których się ją zbiera.

Naturalne zasoby grafitu nie zaspokajają zapotrzebowania na grafit stosowany jako smar, duże jego ilości wytwarza się więc syntetycznie, głównie z koksu naftowego - czarnej smoły pozostałej po oddestylowaniu z ropy naftowej wszystkich użytecznych paliw i smarów organicznych. Ogrzewając tę smołę w piecu bez dostępu tlenu, usuwa się z niej pozostałą materię organiczną i lotne domieszki, np. siarkę. Pozostający w piecu materiał zawiera duży procent grafitu.

Zapotrzebowanie na diament do celów technicznych przewyższa ich naturalne zasoby, wytwarza się je więc na ogół syntetycznie. Polega to na wywołaniu alotropowej przemiany grafitu w diament przez poddanie grafitu działaniu niezwykle wysokich temperatur i ciśnień w czasie kilku dni lub tygodni.

Niektóre związki węgla. Tlenek węgla, CO, jest powszechnie znany jako trujący gaz powstający w wyniku niecałkowitego spalania węgla lub paliw węglowodorowych, np. gazu ziemnego i benzyny. Źle wentylowane piece i gazy spalinowe w zamkniętych pomieszczeniach są przyczyną wielu śmiertelnych wypadków.

Tlenek węgla można otrzymać w wyniku reakcji między kwasem mrówkowym a stężonym kwasem siarkowym. Jej produkty to tlenek węgla i rozcieńczony kwas siarkowy:

HCOOC + H₂SO₄ → CO + H₂SO₄ ⋅ H₂O

(kwas mrówkowy + kwas siarkowy → tlenek węgla + rozcieńczony kwas siarkowy)

Kwas mrówkowy można zastąpić innymi kwasami organicznymi, powstanie jednak wówczas mieszanina CO i dwutlenku węgla (CO₂).

Na skalę przemysłową otrzymuje się tlenek węgla przepuszczając przegrzaną parę wodną o temperaturze 600 - 1000^oC nad węglem.

Powstaje mieszanina tlenku węgla i wodoru. Istotne jest tu utrzymanie temperatury przekraczającej 500^oC. Proces jest endotermiczny. Innym słowem, reakcja pochłania energię cieplną, co obniża temperaturę otoczenia; gdy temperatura spada poniżej 500^oC, wówczas zamiast tlenku węgla powstaje dwutlenek węgla (CO₂). Metodę tę stosuje się również do otrzymywania dużych ilości wodoru. Powstająca mieszanina nosi nazwę gazu wodnego.

Czterochlorek węgla (tetrachlorometan), CCl₄, popularny środek do prania na sucho, otrzymuje się na skalę przemysłową w wyniku reakcji między dwusiarczkiem węgla a chlorem:

CS₂ + 3Cl₂ → CCl₄ + S₂Cl₂

(dwusiarczek węgla + chlor → czterochlorek węgla + dwuchlorek dwusiarki)

Jako katalizator stosuje się chlorek antymonu (III) lub jod. Chterochlorek węgla oddziela się od dwuchlorku dwusiarki przez dysocjację frakcyjną.;

Izotopy węgla. W przyrodzie występuje głównie węgiel - 12; trochę więcej niż 1% jest węgla - 13. pozostałe izotopy są promieniotwórcze; mają one, z wyjątkiem węgla - 14, bardzo krótkie okresy połowicznego zaniku.

Promieniotwórczy węgiel - 14 to znane narzędzie do oznaczania wieku próbek geologicznych i artefaktów archeologicznych. Metoda ta, zwana datowaniem radiowęglowym, umożliwia dość dokładnie określanie wieku obiektów sprzed 500 - 50 000 lat.

Datowanie radiowęglowe wykorzystuje się głównie do określania wieku skamieniałości dawnych organizmów żywych - roślin i zwierząt. Przez wszystkie organizmy żywe krążą różne związki węgla, także promieniotwórczego węgla - 14. gdy zwierzę lub roślina umiera, ustaje wchłanianie i krążenie węgla - 14; zawarty w organizmie w chwili śmierci izotop zaczyna się rozpadać. Węgiel - 14 rozpada się na azot - 14 ze stałą szybkością (okres połowicznego zaniku), im więc starsza jest próbka, tym mniejsze stężenie węgla - 14. licznik Geigera umożliwia łatwy pomiar tego stężenia.

Budowa atomu i odmiany krystaliczne. Spośród wszystkich znanych pierwiastków węgiel zasługuje na szczególną uwagę, gdyż ze względu na specyficzną budowę i właściwości jego atomu odznacza się jedyną w swoim rodzaju zdolnością tworzenia takich trwałych struktur, których inne pierwiastki tworzyć nie mogą. Promień atomowy węgla wynosi 77 pikometrów, atomy węgla zalicza się więc do atomów o najmniejszych rozmiarach. Ma to bardzo istotny wpływ na właściwości chemiczne węgla, gdyż elektrony walencyjne znajdują się blisko jądra atomowego. Analizując wartości energii jonizacji widzimy, że elektronów tych nie może być więcej niż cztery, co zostało uwidocznione w zapisie konfiguracji elektronowej. Jakkolwiek poszczególne wartości każdej z czterech pierwszych energii jonizacji nie są bardzo duże, to jednak ich suma (około 14 300 kJ/mol) ma zbyt wielką wartość, by od atomu węgla mogły się oderwać wszystkie cztery elektrony walencyjne w wyniku oddziaływania atomów innych pierwiastków. Dla porównania suma pierwszych trzech energii jonizacji glinu (około 5 100 kJ/mol) jest prawie trzykrotnie mniejsza. Z drugiej strony ładunek dodatni jądra atomowego węgla, przy jednoczesnym zagęszczeniu wokół niego ładunku ujemnego elektronów, jest zbyt mały, by do atomu węgla mogły się przyłączyć cztery elektrony potrzebne do wypełnienia orbitali zewnętrznej powłoki elektronowej. Wynika stąd, że węgiel w związkach chemicznych nie będzie występował w formie jonów dodatnich ani ujemnych, lecz atomy węgla muszą tworzyć wiązania atomowe.

W najniższym stanie wzbudzonym atomu węgla cztery jego orbitale walencyjne są zapełnione w połowie, stąd wniosek, że atom ten będzie wytwarzał cztery wiązania atomowe.

W przyrodzie występują dwie krystaliczne odmiany pierwiastka węgla, które noszą nazwy: diamentu i grafitu. Odmiany te różnią się od siebie zarówno właściwościami, jak i strukturą sieci krystalicznej.

Kryształy diamentu mają sieć regularną, w której każdy atom węgla otoczony jest przez cztery inne jego atomy, przy czym jądra sąsiednich atomów są oddalone od siebie jednakowo; ich odległość ocenia się na 154 pm. Energia wytworzona między atomami węgla wiązań jest bardzo znaczna i wynosi 348 kJ na mol wiązań. Nic więc dziwnego, że diament zalicza się do najtrwalszych minerałów, a jego temperatura topnienia jest bardzo wysoka (przy ogrzewaniu diament nie stapia się, lecz sublimuje). W krysztale diamentu wszystkie elektrony walencyjne atomów są zużyte do wytwarzania wiązań atomowych, wobec tego w sieci krystalicznej brak jest swobodnych elektronów, których obecność stwarzałaby możliwość przepływu prądu elektrycznego. Z tego względu kryształy diamentu nie przewodzą praktycznie prądu elektrycznego i odznaczają się nieznacznym tylko przewodzeniem ciepła. Ogrzewany do wysokich temperatur bez dostępu powietrza diament przekształca się w grafit.

W odróżnieniu od diamentu grafit ma zupełnie inną strukturę. Badania krystalograficzne ujawniły, że atomy węgla w graficie tworzą płaskie sieci, rozmieszczone w płaszczyznach do siebie równoległych. Każdy atom węgla należący do określonej płaszczyzny otoczony jest przez trzy inne atomy tego pierwiastka, a kąty między wiązaniami wynoszą po 120^o. Osie pozostałych orbitali wszystkich atomów węgla przebiegają prostopadle do płaszczyzn w których rozmieszczone są wiązania. Każdy z tych orbitali jest obsadzony tylko przez pojedynczy elektron, toteż następuje częściowe nakładanie się orbitali sąsiednich atomów i tworzenie dodatko9wych wiązań. Pary elektronowe nie są zlokalizowane między jądrami dwóch atomów węgla i mogą ulegać przemieszczeniu w obrębie sieci krystalicznej, szczególnie pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Dlatego grafit w odróżnieniu od diamentu odznacza się dobrym przewodnictwem elektrycznym.

Odległości płaszczyzn obsadzonych przez atomy węgla są w graficie większe niż długości wiązań atomowych, należy więc sądzić, że występują między nimi jakieś inne znacznie słabsze wiązania, których istota polega na wzajemnym oddziaływaniu sąsiednich płaszczyzn siłami międzycząsteczkowymi. Siły te są jednak tak słabe, że3 mimo ich działania poszczególne warstwy w graficie przy zewnętrznym nacisku mogą się po sobie „ślizgać”, wskutek czego kryształy grafitu wykazują bardzo dobrą łupliwość, dając się rozdzielić na cienkie, płaskie blaszki. Również i trwałość grafitu jest tak mała, że zaliczamy go do najbardziej miękkich minerałów.

Grafit stanowi bardziej trwałą w zwykłych warunkach odmianę krystaliczną węgla. Istnieją jednak możliwości przekształcenia grafitu w diament, ale wymaga to ogrzewania do temperatury 3300 K pod ciśnieniem rzędu 10⁶ atmosfer. Natomiast diament ogrzewany pod zwykłym ciśnieniem przekształca się w grafit.

1

---