„Węgiel jako pierwiastek chemiczny.”

Węgiel (symbol C), jest to pierwiastek chemiczny IV grupy głównej układu okresowego pierwiastków, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,01115, o własnościach kwasowych (niemetal). Występuje w związkach dwuwartościowych (tlenek węgla) i czterowartościowych. Najważniejsze są związki węgla czterowartościowego: dwutlenek węgla, kwas węglowy i jego sole: węglany, czterochlorek węgla, dwusiarczek węgla, fosgen, cyjan. Z wodorem węgiel tworzy węglowodory, z metalami węgliki. Wobec zdolności do tworzenia wiązań chemicznych pomiędzy atomami węgla, jest on głównym składnikiem około miliona związków, które są przedmiotem badań chemii organicznej. Węgiel jest ciałem stałym (temperatura sublimacji 3540^o), występującym w dwóch odmianach alotropowych: diament i grafit. Wymieniana jest jeszcze jedna postać alotropowa, tak zwany węgiel bezpostaciowy jest odmianą grafitu (węgiel drzewny). Występowanie węgla: w przyrodzie czysty węgiel występuje jako diament i grafit. Największe ilości węgla znajdują się w przyrodzie pod postacią węgli kopalnych. Węgiel występuje także w postaci związków organicznych w łupkach bitumicznych, asfalcie, ropie naftowej i gazie ziemnym i w postaci nieorganicznej węglanów. Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem przyrody ożywionej. Zastosowanie: węgle kopalne jako podstawowy surowiec energetyczny i do syntez związków węgla. Wielkie znaczenie mają związki węgla nieorganicznego (węglany, węgliki, cyjanki, tlenek węgla, dwutlenek węgla, kwas węglowy) i organiczny.

Węgiel - 14 (radiowęgiel) jest to izotop promieniotwórczy węgla, okres połowicznego rozpadu tego izotopu około 5500 lat. Występuje w małych ilościach w przyrodzie, tworząc się przede wszystkim w powietrzu z azotem. Oznaczenie ilości ¹⁴C w materiałach organicznych pozwala na określenie ich wieku (datowanie promieniotwórcze).

Datowanie promieniotwórcze jest to metoda wykorzystująca przemiany izotopów promieniotwórczych do określania wieku próbki. Datowanie promieniotwórcze odgrywa ważną rolę w oznaczaniu wieku geologicznego.

Węgiel aktywny tak zwany bezpostaciowy (w rzeczywistości mikrokrystaliczna) odmiana węgla o bardzo rozwiniętej powierzchni, wykazująca duże zdolności adsorpcyjne: pochłania gazy i cząsteczki substancji rozpuszczonych z roztworów. Otrzymywanie węgla aktywnego: ogrzewanie (bez dostępu powietrza) drewna lub torfu nasyconego chlorkiem cynkowym lub traktowanie węgla drzewnego przegrzaną parą wodną (usuwanie resztek smoły z porów). Sporządzane są węgiel aktywny o różnych wielkościach ziarna (0,1 - 4 mm). Zastosowanie węgla aktywnego: odbarwianie preparatów i rozpuszczalników, osuszanie gazów, usuwanie par z powietrza, w lecznictwie (usuwanie gazów, bakterii i trucizn z organizmów), pochłaniacze w maskach gazowych.

Diament jest to czysty węgiel (odmiana alotropowa węgla) krystalizujący regularnie, najtrwalszy ze wszystkich minerałów. Bezbarwny diament występuje względnie rzadko, zwykle są żółte, brunatne, czarne, rzadziej zielone, a najrzadsza jest odmiana niebieska. Diament tworzy się w zastygłej magmie w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Drugi kamień szlachetny (brylanty - szlifowane, diamenty). Występowanie diamentów: Kimberley (Południowa Afryka), Kongo, Brazylia, Australia, Borneo i Sumatra, Ural, Jakucja (Syberia). Zastosowanie diamentu: głównie do wyrobu narzędzi wiertniczych. W laboratoriach General Electric w USA i w Szwecji otrzymano (1955) sztuczne diamenty o masie kilku karatów (karat = 0,2 g) ze związków węgla, poddając je ciśnieniu około 10 000 atmosfer w temperaturze do 3000^o.

Grafit jest to heksagonalna odmiana polimorficzna węgla. W odróżnieniu od diamentu grafit jest miękki, doskonale łupliwy, przewodzi prąd elektryczny. Znaczne złoża grafitu występujące w skałach metamorficznych powstają przez przeobrażenie węgli kopalnych. Największe złoża występują na Syberii, Madagaskarze, Cejlonie i w Meksyku. Grafit produkowany jest również fabrycznie przez ogrzewanie antracytu powyżej 2200^o. Zastosowanie grafitu: wyrób tygli ogniotrwałych dla przemysłu hutniczego, wyrób elektrod dla przemysłu elektrochemicznego, cegieł ogniotrwałych, czarnych farb chroniących żelazo od rdzy, fabrykacja ołówków, jako moderator. Jako suchy smar zmniejsza tarcie metalowych powierzchni.

Węgle kopalne jest to mieszanina różnorodnych związków organicznych, w skład których wchodzi głównie węgiel, a poza tym wodór, azot i tlen. Węgle kopalne są pseudomorfozami po roślinach. W pokładach węgla kopalnego spotyka się zwęglone resztki flory z okresu karbońskiego, drzewiaste widłaki, skrzypy i paprocie. W węglu brunatnym i lignicie ślady pochodzenia roślinnego są bardziej wyraźne, gdyż węgle te są młodsze od węgla kamiennego (trzeciorzędowe). Pokłady torfu są geologicznie najmłodsze. Antracyt jest węglem kopalnym podległym największej metamorfizacji. Nie znać w nim pochodzenia roślinnego.

Niektóre związki węgla. Po połączeniu węgla i tlenu powstaje dwutlenek węgla, który ma zastosowanie do wyrobu sody amoniakowej, w cukiernictwie, do produkcji wody sodowej i lemoniady, do wytwarzania suchego lodu, do wypełniania gaśnic, w chłodnictwie.

C + O₂ → CO₂

(węgiel + tlen → dwutlenek węgla)

Związek ten można również otrzymać z rozpadu termicznego niektórych węglanów:

CaCO₃ → CaO + CO₂

(węglan wapnia → tlenek wapnia + dwutlenek węgla)

a także w reakcjach węglanów metali z kwasami:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

(węglan wapnia + kwas chlorowodorowy → chlorek wapnia + woda + dwutlenek węgla)

Pod względem chemicznym dwutlenek węgla jest stosunkowo bierny, w podwyższonym temperaturach wchodzi jednak w reakcje z mocnymi reduktorami (K, Mg, Zn), ulegając redukcji do wolnego węgla:

CO₂ + 2Mg → C + 2MgO

(dwutlenek węgla + magnez → węgiel + tlenek magnezu)

Po połączeniu węgla z wodą otrzymujemy wodór i tlenek węgla, który wykorzystujemy do wielu procesów przemysłowych np. otrzymywanie alkoholu metylowego, kwasu mrówkowego, kwasu akrylowego i jego estrów, cyjanowodoru, fosgenu, jako składnik gazu świetlnego i generatorowego do celów grzejnych.

C + H₂O → CO + H₂

(węgiel + woda → tlenek węgla + wodór)

1

---