Węgiel (C)

Węgiel
Pierwiastek chemiczny należący do niemetali. Jego symbol chemiczny to C. Znajduje się w 14 grupie układu okresowego, od niego też pochodzi nazwa całej grupy- węglowce. Liczba atomowa Z węgla wynosi 6, zatem ma on 6 elektronów i 6 protonów w jądrze atomowym. Masa atomowa węgla wynosi 12,06u, a jego liczba masowa A wynosi 12, zatem ma on 6 neutronów w jądrze atomowym. Możemy zapisać konfigurację powłokową i podpowłokową węgla:
Powłokowa K2L4
Podpowłokowa 1s22s22p2.
Widzimy zatem, że ma on 4 elektrony walencyjne.
Węgiel posiada także 3 główne izotopy: węgiel-12 (dominujący), węgiel-13 oraz promieniotwórczy węgiel-14.
A to ciekawe!
Wiesz, że masę atomową wyraża się w unitach, jednak czy wiesz skąd pochodzi ta jednostka? 1u to właśnie 1/12 masy izotopu węgla-12, to on stał się podstawą do stworzenia jednostki.
Węgiel jest składnikiem wszystkich związków organicznych, np. białek, tłuszczy, węglowodanów, alkoholi oraz wielu związków nieorganicznych, np. kwasów- kwas węglowy, tlenków, węglików oraz soli- węglanów.

Odmiany alotropowe węgla
Odmiana alotropowa danego pierwiastka chemicznego, to różne formy tego pierwiastka, różnią się budową wewnętrzną oraz właściwościami. Zapewne dobrze ci znanym pierwiastkiem posiadającym odmianę alotropową będzie tlen. Tlen oprócz występowania w cząsteczkach dwuatomowych O2, ma swoją odmianę trójatomową- ozon O3. Ozon jest odmianą alotropową tlenu. Zapoznajmy się najpierw z czterema najpopularniejszymi odmianami węgla.

Pierwszą z nich będzie diament– w nim atomy węgla połączone są bardzo silnymi wiązaniami, przez co diament jest najtwardszą substancją na Ziemi (do określania twardości służy skala Mohsa). Diament jest substancją stałą, nierozpuszczalną w wodzie, dobrze przewodzi ciepło, jest mało aktywny chemicznie. Diamenty są nie tylko wykorzystywane w jubilerstwie do celów ozdobnych, lecz także służą do produkcji bardzo bardzo silnych narzędzi tnących- diament jest przecież najtwardszy na Ziemi.
Kolejną odmianą jest grafit, który zapewne kojarzy się większości nam z ołówkami. Grafit jest substancją stałą, nierozpuszczalną w wodzie, dobrze przewodzi ciepło oraz mało aktywną chemicznie. Rysik ołówka składa się z grafitu, lecz kiedy na kartkę papieru zostanie przeniesiona tylko jedna warstwa mamy do czynienia z grafenem, czyli kolejną odmianą alotropową węgla. Grafen jest substancją stałą bardzo wytrzymałą mechanicznie, nierozpuszczalną w wodzie. Dobrze przewodzi ciepło i jest mało aktywny chemicznie. Grafen przypomina plaster miodu. Jednak dlaczego jest tak bardzo wytrzymały mechanicznie? Narysujmy sobie fragment „plastra” grafenu.

Kiedy sześciokąty grafenu spotykają się, tworzą kąt 360 stopni, po 120 między ramionami każdego sześciokąta. To, dla najmniejszej ilości materiału, jest najbardziej stabilne ułożenie. W momencie, w którym popchniemy w połączenie dwóch sześciokątów, dwa pozostałe połączenia „stabilizują” to pchnięcie, „wpychając się” w środek. To zapewnia wyjątkową wytrzymałość mechaniczną grafenowi. Potrzebne byłoby 100 razy więcej siły, aby rozerwać taki grafen niż stal. Jednak skoro grafen jest tak wytrzymały, to jak może z ołówka pojawić się na twojej kartce? Odpowiedź jest prosta- o ile grafen jest bardzo wytrzymały w płaszczyźnie prawo-lewo, o tyle w płaszczyźnie góra-dół jest bardzo elastyczny. Ponadto przez grafen elektrony przepływają bardzo szybko, co pozwoliło mu znaleźć zastosowanie w budowie tranzystorów. To dzięki grafenowi będą powstawały lepsze, szybsze komputery.
Grafen nie jest jednak ostatnią odmianą alotropową węgla. Następną są fulereny– połączone wiązaniami kowalencyjnymi atomy węgla tworzą strukturę podobną do piłki. Fulereny mogą mieć nawet do 1500 atomów węgla. Fulereny to substancje stałe, nierozpuszczalne w wodzie, które reagują z aktywnymi litowcami. Fulereny wchodzą w skład katalizatorów, a także są wykorzystywane w medycynie do projektowania leków na AIDS.
Omówiliśmy najpopularniejsze odmiany alotropowe węgla, jednak cztery przedstawione powyżej odmiany to nie wszystkie jakie możemy spotkać. Jedną z rzadziej spotykanych, o której posiadamy mniej informacji jest karbin. W nim atomy węgla tworzą długie łańcuchy. Węgle są połączone naprzemiennie wiązaniem potrójnym i pojedynczym albo w całej swojej budowie podwójnym.
Drugą mniej spotykaną odmianą jest cyklokarbon. Cyklokarbon składa się z 18 atomów węgla i ma kształt pierścienia. Węgle połączone są naprzemiennie wiązaniem potrójnym i pojedynczym. Został odkryty stosunkowo niedawno, bo w 2019 roku, a w badaniach brał udział Polak- Przemysław Gaweł.
A to ciekawe!
Węgiel jest szóstym najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie oraz drugim najliczniej występującym w ludzkim ciele.

Węgiel w związkach
Rozpocznijmy od związków nieorganicznych. Węgiel tworzy dwa tlenki- tlenek węgla(IV) oraz tlenek węgla(II) zwany czadem. Co różni te tlenki? Przede wszystkim charakter chemiczny- tlenek węgla(II) jest tlenkiem obojętnym, co oznacza, że nie reaguje z wodą, kwasami ani zasadami. Natomiast tlenek węgla(IV) ma charakter kwasowy, co oznacza, że reaguje z wodą i zasadami, ale nie z kwasami. Tlenek węgla(IV) jest bezbarwnym, niepalnym gazem, który jest cięższy od powietrza. Z racji tych właściwości będzie używany w gaśnicach.
Tlenek węgla (IV) można stworzyć na wiele sposobów:
rozkład węglanów Na2CO3→Na2O+CO2
spalanie związków organicznych (tu na przykładzie metanu) CH4+2O2→CO2+2H2O
utlenianie tlenku węgla(II) 2CO+O2→2CO2

Obecność tlenku węgla(IV) można łatwo wykryć używając wody wapiennej. Gdy tlenek węgla(IV) jest obecny, nastąpi zmętnienie wody wapiennej. Częstym doświadczeniem szkolnym jest doświadczenie z wodą wapienną. Uczeń ma słomkę i wydycha powietrze do wody wapiennej. Po chwili wydychania widoczne jest zmętnienie wody wapiennej, co jest dowodem na obecność CO2 w wydychanym powietrzu.

Tlenek węgla(II), czad, bezbarwny i bezwonny gaz, który jest bardzo szkodliwy dla człowieka. Może doprowadzić nawet do śmierci, ponieważ gdy dostanie się do krwioobiegu to „zabiera” miejsce na czerwonych krwinkach tlenowi. Przez to tlen nie może być transportowany, co prowadzi do śmierci. Tlenek węgla(II) powstaje w wyniku spalania niecałkowitego (półspalania) węglowodorów, paliw, alkoholi etc.
spójrzmy na reakcję spalania niecałkowitego metanu:
2CH4+3O2→2CO+4H2O
Tlenek węgla(II) powstaje także przy spalaniu węgla przy ograniczonym dostępie do tlenu:
2C+O2→2CO

Oprócz tlenków węgiel w związkach nieorganicznych znajduje się w kwasie- kwasie węglowym. Jego wzór sumaryczny to H2CO3, natomiast strukturalny przedstawia się następująco:
Węgiel w tym związku jest czterowartościowy.
Natomiast wartościowość reszty kwasowej to II, ponieważ cząsteczka kwasu węglowego zawiera dwa atomy wodoru. Kwas węglowy jest bezbarwną cieczą oraz jest bardzo nietrwały, dlatego ulega rozkładowi do CO2 i H2O. W związku z tym często jego wzór zapisuje się jako CO2 + H2O. Kwas węglowy jest składnikiem wody gazowanej. Sole pochodzące od kwasu węglowego nazwiemy węglanami. Są to sole nietrwałe, które będą w odpowiednich warunkach (wysoka temperatura) ulegać rozkładowi do tlenku metalu i dwutlenku węgla. Jednym z najpopularniejszych węglanów jest węglan wapnia- CaCO3, zwany wapieniem. Znalazł on zastosowanie w produkcji szkła. Charakterystyczną rzeczą dla tego węglanu jest jego przeróbka. Najpierw następuje jego rozkład termiczny i powstaje tlenek wapnia CaO oraz dwutlenek węgla CO2, następnie następuje gaszenie- dodanie wody do tlenku wapnia. W ten sposób powstaje wodorotlenek wapnia, do którego dodaje się SiO2, przez co powstaje zaprawa wapienna.
Ciekawostka!
Skały zawierające węglan wapnia, są podatne na czynniki atmosferyczne, np. wodę, czy dwutlenek węgla. Zachodzi reakcja:
CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2.. Powstaje wodorowęglan wapnia, który jest rozpuszczalny w wodzie- skały są wypłukiwane przez wodę, co nazywamy krasowieniem. Powstaną jaskinie krasowe, które pełne będą stalaktytów, stalagmitów i stalagnatów. Dlaczego? Ponieważ zajdzie reakcja:
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2+H2O.
Wodorowęglan wapnia uległ rozkładowi do wody, dwutlenku węgla i nierozpuszczalnego węglanu wapnia, który jest tym na co patrzymy podczas oglądania stalaktytów, stalagmitów i stalagnatów.

Węgliki to kolejne związki nieorganiczne, które tworzy węgiel. Tworzy je z pierwiastkami, które mają niższą elektroujemność niż on. Węgliki niemetali mają budowę kowalencyjną, węgliki metali z grupy 1,2 oraz 13 mają budowę jonową, natomiast węgliki pierwiastków z grup od 3 do 12 mają wiązania metaliczne. Ponadto węgliki metali z tych grup są bardzo odporne mechanicznie i chemicznie. Przykłady węglików:
CaC2– węglik wapnia
B4C- węglik boru
Mg2C3– węglik magnezu

Poznaliśmy obecność węgla w związkach nieorganicznych, teraz zapoznajmy się z jego obecnością w związkach organicznych.
Węgiel z całą pewnością występuje w cukrach- sama nazwa nam to sugeruje, gdyż inna nazwa cukrów to węglowodany.
Występuje również w białkach, dlatego, że białka są zbudowane z aminokwasów, a tak wygląda ogólny schemat ilustrujący budowę aminokwasu.

Widzimy, że w swojej budowie zawiera węgiel. Widzimy na obrazku grupę karboksylową, która także zawiera węgiel, dlatego też możemy stwierdzić, że kwasy karboksylowe również zawierają węgiel.
Węgiel jest poza tym składnikiem tłuszczy. Tłuszcze zbudowane są z alkoholu i kwasów tłuszczowych, których to węgiel jest składnikiem.
Oprócz tego węgiel jest obecny w kwasach nukleinowych- DNA i RNA, oprócz tego, że mają w swojej budowie zasady azotowe, których to jest składnikiem, to jeszcze posiadają cukry pięciowęglowe (DNA zawiera deoksyrybozę, a RNA rybozę), których też jest składnikiem.
Oprócz tego węgiel jest składnikiem węglowodorów: alkanów, alkenów, alkinów, węglowodorów aromatycznych, cyklicznych i wszystkich innych związków organicznych.

Oprócz wcześniej wymienianych zastosowań odmian alotropowych węgla, należy zaznaczyć, że węgiel jest bardzo cennym źródłem energii elektrycznej i ciepła, dlatego wykorzystywany jest często w przemyśle i energetyce. Myślę, że o tym, że węgiel jest niezwykle cenny nikogo dłużej przekonywać nie trzeba, jednak skąd bierzemy węgiel?

Źródła węgla
Głównym źródłem węgla są złoża węgli kopalnych, powstały one w wyniku gromadzenia się szczątków roślin. Oczywiście nie będą to złoża czystego węgla, lecz pomieszane z innymi pierwiastkami, np. tlenem, wodorem, azotem. Wyróżnia się wiele gatunków węgli kopalnych- różne rodzaje będą zawierały różne ilości czystego węgla, oczywiście im go więcej, tym cenniejszy jest dany rodzaj.
Rodzajem, który zawiera najmniej czystego węgla (mniej niż 60% masy), jest torf, który najczęściej jest silnie nasycony piaskiem. Torf nie jest powszechnie używany jako źródło energii, choć w Finlandia i Irlandia będą wyjątkami od tej reguły. Torf dużo częściej będzie wykorzystywany w ogrodnictwie jako nawóz.
Kolejną odmianą węgla kopalnego jest węgiel brunatny. Zawiera on więcej czystego węgla od torfu, bo około 68% masy. Najczęściej wykorzystywany jest jako paliwo. Jest nieodnawialnym źródłem energii, a jego spalanie ma negatywny wpływ na środowisko- wydziela się CO2, który jest jednym z gazów cieplarnianych. W Polsce złoża węgla brunatnego występują chociażby w okolicach Bełchatowa, gdzie mieści się znana kopalnia węgla „Bełchatów”. Polska jest jednym z czołowych państw pod względem wydobywania węgla brunatnego.
Kolejnym źródłem węgla są złoża węgla kamiennego. Zawierają one od 75% do 97% czystego węgla. Węgiel kamienny najczęściej wykorzystywany jest jako paliwo, choć w tym zakresie, na szczęście dla środowiska, jego rola sukcesywnie spada. Jest to źródło energii nieodnawialnej. W Polsce węgiel kamienny wydobywany jest na Górnym Śląsku. Podobnie jak w przypadku węgla brunatnego i tutaj przy spalaniu wydzielany jest CO2.
Następnym źródłem węgla jest antracyt. Zawiera on bardzo dużo czystego węgla, przez co będzie najcenniejszy spośród poprzednich odmian węgli kopanych. W Polsce antracyt nie jest wydobywany, choć przed rokiem 2000 wydobywany był. Występował w okolicach Wałbrzycha. Ze względu na to, że przy spalaniu antracytu nie powstawało bardzo dużo dymu, służył on kiedyś do ogrzewania budynków.

Węgiel aktywny
Węgiel aktywny, zwany leczniczym, to szczególna postać węgla, która pochłania szkodliwe substancje. Węgiel aktywny nie jest wchłaniany w przewodzie pokarmowym, dlatego jest nieszkodliwy dla człowieka. Jego właściwości wynikają z tego, że węgiel jest bardzo rozdrobniony- 1g węgla aktywnego może zająć powierzchnię aż 1000m2. Węgiel aktywny wytwarzany jest z węgli kopalnych zawierających duży procent czystego węgla, np. z węgla kamiennego.
Popularne są bidony, które zawierają filtry z węglami aktywnymi, przez co oczyszczają one wodę tak, aby ta była zdatna do spożycia.

Podsumowanie
Węgiel jest niemetalem, którego symbolem jest litera C.
Węgiel zawiera 6 odmian alotropowych, spośród których najpopularniejsze są: diament, grafit, grafen i fulereny.
Węgiel występuje w wielu związkach nieorganicznych i we wszystkich związkach organicznych.
Węgiel ma bardzo wiele zastosowań i jest cennym źródłem energetycznym.
Źródłami węgla są złoża węgli kopalnych, np. torf, węgiel brunatny, kamienny i antracyt.
Węgiel aktywny ma właściwości pochłaniające, pochłania szkodliwe substancje.