Węgiel (pierwiastek)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Węgiel
bor ← węgiel → azot
Wygląd
czarny (grafit, fuleren)
bezbarwny (diament)
diament i grafit – dwie formy występowania węgla
diament i grafit – dwie formy występowania węgla
Widmo emisyjne węgla
Widmo emisyjne węgla
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a. węgiel, C, 6
(łac. carboneum)
Grupa, okres, blok 14 (IV A), 2, p
Stopień utlenienia IV, II
Właściwości metaliczne niemetal
Właściwości tlenków lekko kwaśne
Masa atomowa 12,0096 – 12,0116[a][2] u
Stan skupienia stały
Gęstość 2090 do 2230 kg/m³ (grafit)
Temperatura topnienia ~3600 °C (sublimacja)
Temperatura wrzenia ~4300 °C (punkt potrójny)
Numer CAS 7440-44-0
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
Commons Multimedia w Wikimedia Commons
Wikisłownik Hasło węgiel w Wikisłowniku
Rozmieszczenie elektronów na powłokach w atomie węgla

Węgiel (C, łac. carboneum) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6, niemetal z bloku p układu okresowego. Należy do grupy 14. Posiada cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, 12C oraz 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat[3]. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności[4][5]. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Walter.

Znanych jest kilka odmian alotropowych węgla, z czego najbardziej znane to grafit oraz diament. Właściwości fizyczne węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Na przykład diament jest przezroczysty, natomiast grafit jest nieprzezroczysty i czarny. Diament jest jednym z najtwardszych materiałów na ziemi, podczas gdy grafitem można narysować kreskę na papierze. Diament ma bardzo niskie przewodnictwo właściwe, a grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. Diament posiada najwyższą przewodność cieplną z wszystkich znanych materiałów w warunkach normalnych. Wszystkie odmiany alotropowe węgla są w warunkach normalnych ciałami stałymi. Innymi odmianami alotropowymi węgla są: fuleren oraz formy poliynowe. Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są: nanocebulka, nanorurka, nanopianka, karbin, choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych, niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby przereagować nawet z tlenem. Największe ilości nieorganicznego węgla występują w postaci skał wapiennych, dolomitów oraz dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w paliwach kopalnych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. Liczba organicznych związków węgla zarejestrowanych w bazie Beilstein w roku 2008 wynosiła 10 853 341[6], co jest małą częścią teoretycznych związków jakie można z niego otrzymać.

Węgiel znajduje się na czwartym miejscu najczęściej występujących pierwiastków we Wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Jest obecny we wszystkich organizmach żywych. W ludzkim ciele jest po tlenie najliczniejszym pierwiastkiem ze względu na masę (ok. 18,5%)[7]. Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych stawia węgiel jako chemiczną podstawę życia.

Charakterystyka[edytuj | edytuj kod]

Różne odmiany alotropowe węgla wykazują bardzo różne właściwości, np. diament jest najtwardszą naturalnie występującą substancją, grafit jest jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami, włączając w to inne atomy węgla oraz tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami w wyniku czego związki zawierające węgiel w swojej strukturze stanowią znaczną cześć wszystkich znanych związków, liczba ich dochodzi do dziesięciu milionów[8]. Węgiel posiada także najwyższe temperatury topnienia oraz sublimacji z wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w ogóle topnienie węgla, lecz sublimacja w temperaturach rzędu 3900K - jego punkt potrójny występuje przy ok. 10 MPa (100 bar). Węgiel sublimuje do łuku węglowego w temperaturze ok. 5800K. więc niezależnie od odmian alotropowych pozostaje ciałem stałym w wyższych temperaturach, niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (wolfram i ren). Jednakże termodynamicznie węgiel bardzo łatwo się utlenia, znacznie lepiej niż żelazo czy miedź, które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.

Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Pomimo różnorodności związków węgla większość jego form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym, kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem, tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak tlenek żelaza, do metalu. Ta reakcja egzotermiczna jest wykorzystywana w przemyśle żelazowym i stalowym do kontroli zawartości węgla w stali:

Fe3O4+ 4C(s) → 3Fe(s) + 4CO(g)

Z siarką tworzy dwusiarczek węgla, a z parą wodną tlenek węgla i wodór:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Węgiel reaguje z niektórymi metalami, tworząc węgliki, takie jak węglik żelaza (cementyt) czy węglik wolframu, który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.

Odmiany alotropowe węgla[edytuj | edytuj kod]

Odmiany alotropowe węgla:
a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit
d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70
g) węgiel amorficzny, h) nanorurka

Węgiel posiada następujące odmiany alotropowe:

Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są formy poliynowe:

choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych, niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Występowanie[edytuj | edytuj kod]

Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%. Spotykany jest:

Obieg węgla[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Obieg węgla w przyrodzie.
Diagram przedstawiający obieg węgla w przyrodzie

W warunkach ziemskich zmiana jednego związku w drugi jest rzadka. Jednak ilość węgla na ziemi jest stała. Dlatego musi istnieć proces, powodujący utrzymanie równej ilości węgla w różnych częściach ziemi. Ścieżki, jakimi "wędruje" węgiel, tworzą obieg węgla w przyrodzie. Np. rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy lub cyklu Calvina. Część biomasy produkowanej przez rośliny zostaje zjedzona przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.

Związki węgla[edytuj | edytuj kod]

Związki organiczne[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Związki organiczne.
Struktura metanu, najprostszego związku organicznego.

Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C-C. Zdolność ta nosi nazwę katenacji. Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne.

Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną ilość związków. Ilość związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla (nie licząc związków zawierających wodór, gdyż praktycznie każdy związek organiczny zawiera atom wodoru).

Najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory- związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Długość łańcucha, boczne łańcuchy oraz grupy funkcyjne wpływają na właściwości związku.

Węgiel jest głównym składnikiem wszystkich plastikowych materiałów używanych powszechnie w gospodarstwach domowych

Węgiel występuje w każdym organizmie żywym oraz jest podstawą chemii organicznej. Węglowodory to grupa palnych związków które odgrywaja istotną rolę w przemyśle polimerowym, petrochemicznym oraz paliw kopalnych.

Gdy w związku obok węgla i wodoru występuje tlen, tworzy się wiele ważnych biologicznie grup związków, takich jak cukier, chityna, alkohole, tłuszcze, zapachowe estry, karotenoidy oraz terpeny. Związki zawierające azot tworzą alkaloidy, aminokwasy, zawierające siarkę antybiotyki. Związki zawierające fosfor tworzą DNA, RNA oraz ATP, najważniejszy przenośnika energii w komórce.

Związki nieorganiczne[edytuj | edytuj kod]

Spośród nieorganicznych związków węgla duże znaczenie mają dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas węglowy, węglany oraz węgliki. Powszechnie stosowany jest w stopach z żelazem (stal i żeliwo). W związkach węgiel jest zazwyczaj czterowartościowy, rzadko dwuwartościowy (np. w tlenku węgla oraz związkach kompleksowych). Występuje na rozmaitych stopniach utlenienia w zakresie od -4 do +4.

Do najważniejszych tlenków węgla należą tlenek, dwutlenek i podtlenek.

Znaczenie biologiczne węgla[edytuj | edytuj kod]

Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne.

Zastosowanie węgla[edytuj | edytuj kod]

Węgiel jest jednym z paliw kopalnych i ważnym źródłem nieodnawialnej energii. Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego.

Naturalna zawartość izotopu 14C wykorzystywana jest do tzw. datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem 14C i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla 14C do całkowitej ilości węgla.

Grafit jest stosowany w poligrafii do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie. Diament jest kamieniem szlachetnym stosowanym w jubilerstwie oraz ze względu na swoją wysoką twardość w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do skrawania, zwłaszcza szlifowania i wiercenia. Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako węgiel aktywny do procesów filtracji i oczyszczania.

Uwagi

  1. Ze względu na naturalną zmienność zawartości izotopów, podany jest zakres wartości masy atomowej dla naturalnych źródeł tego pierwiastka.

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Węgiel (pierwiastek) (ang. • niem.) w bazie IFA GESTIS. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA). [dostęp 2011-10-01].
  2. Current Table of Standard Atomic Weights in Order of Atomic Number (ang.). Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, IUPAC, 2013-09-24. [dostęp 2013-12-02].
  3. Carbon – Naturally occurring isotopes. WebElements Periodic Table. [dostęp 2007-12-08].
  4. Periodic Table: Date of Discovery. [dostęp 2007-03-13].
  5. Timeline of Element Discovery. [dostęp 2007-03-13].
  6. CrossFire Beilstein Database 2008/03, Elsevier Information Systems GmbH.
  7. Biological Abundance of Elements. [dostęp 2007-12-06].
  8. Chemistry Operations: Carbon. Los Alamos National Laboratory, 15 grudnia 2003. [dostęp 2013-06-25].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]