Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Węgiel

Wstęp

Węgiel jest pierwiastkiem chemicznych o liczbie atomowej 6, zlokalizowanym w 14 (IVA) grupie układu okresowego (grupa węglowców). Węglowce w stanie podstawowym mają cztery elektrony walencyjne w konfiguracji s2p2, w tym dwa niesparowane które umożliwiają tworzenie wiązań kowalencyjnych. Jednak na ogół atomy węglowców tworzą cztery wiązania kowalencyjne, co wymaga przeniesienia (promocji) 1 elektronu z orbitalu s do p.

Symbol C
Nazwa w jęz. angielskim carbon
Nazwa w jęz. łacińskim carboneum
Stan skupienia ciało stałe
Charakter chemiczny półmetal
Liczba atomowa 6
Masa atomowa [u] 12,011
Numer grupy, okres, blok energetyczny 14 (IVA), 2 p
Wartościowość II, IV
Konfiguracja elektronowa uproszczona [He] 2s22p2
Elektroujemność wg Paulinga 2,5
Temperatura topnienia [oC] 3550
Temperatura wrzenia [oC]
4200
Gęstość grafitu [g/cm3] 2,1 - 2,3
Gęstość diamentu [g/cm3] 3,51

Odkrycie

Węgiel znany był już w czasach prehistorycznych, a węgle kopalne stosowano jako paliwo od IX wieku. W starożytności znano również diament i grafit jednak nie zdawano sobie wtedy sprawy, że to odmiany alotropowe węgla. W 1773 r. Lavoisier spalił diament w tlenie i otrzymał dwutlenek węgla. A w 1779 r. Scheele stwierdził to samo w przypadku grafitu.

Występowanie w przyrodzie

Węgiel klasyfikuje się na czternastym miejscu pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej (0,08%). W stanie wolnym węgiel występuje w niewielkich ilościach w postaci grafitu i diamentu. W stanie związanym węgiel znajduje się w: tkankach roślin i zwierząt, węglowodorach (ropa naftowa i gaz ziemny), węglanach (kalcyt CaCO3, syderyt FeCO3, dolomit MgCO3 · CaCO3, magnezyt MgCO3), dwutlenku węgla stanowiącego ok. 0,03% obj. powietrza, wodach naturalnych (rzecznych, jeziornych, morskich itd.) oraz węglach kopalnych (antracyt, węgiel kamienny, brunatny, torf). Wszystkie żywe organizmy zawierają węgiel jako podstawowy pierwiastek będący składnikiem białek, kwasów nukleinowych, lipidów i innych związków. Organizm człowieka zawiera ponad 15 kg węgla. Całkowitą ilość węgla w postaci  CO2 zawartego w atmosferze szacuje się na 6,0 · 1011 ton, a wodach morskich na 2,7 · 1013 ton. Węgiel podlega obiegowi w przyrodzie. Rośliny pobierają węgiel z atmosfery w postaci CO2 w procesie fotosyntezy przetwarzając go z udziałem energii słonecznej w cukry, tłuszcze, białka itd. Jednocześnie węgiel jest oddawany do atmosfery jako produkt oddychania, gnicia oraz spalania substancji organicznej.

Właściwości fizyczne i zastosowanie

Węgiel jest ciałem stałym, które nie rozpuszcza się w żadnym ze znanych rozpuszczalników. Natomiast rozpuszcza się w stopionym żelazie i w kilku innych stopionych metalach. Węgiel nie topi się, lecz w bardzo wysokiej temperaturze ok. 3500oC, pod ciśnieniem atmosferycznym sublimuje. Istnieje w dwóch podstawowych odmianach alotropowych (diament i grafit), różniących się postacią krystalograficzną. Natomiast węgiel bezpostaciowy (sadza) stanowi bardzo drobnokrystaliczną postać grafitu.

Diament
w stanie stanie czystym tworzy bezbarwne, przezroczyste struktury, jest bardzo twardy (najtwardszy ze wszystkich minerałów), nie przewodzi prądu elektrycznego (izolator) i silnie łamie światło. Gęstość diamentu wynosi 3,51 g/cm3. W sieci przestrzennej diamentu każdy atom węgla jest otoczony przez 4 inne atomy, których środki ciężkości wyznaczają czworościan foremny.
Wszystkie wiązania chemiczne w sieci diamentu są wiązaniami kowalencyjnymi o jednakowej długości. Zależnie od rodzaju i ilości zanieczyszczeń kryształy diamentu mogą być zabarwione na żółto, niebiesko, fioletowo, czerwono i brunatno. Oszlifowane diamenty zwane są brylantami i charakteryzują się piękną grą świateł. Diament nadający się do celów jubilerskich spotykany jest stosunkowo rzadko. Głównie wydobywane diamenty służą do celów technicznych: szlifowania bardzo twardych ciał, cięcia szkła, wyrobu ostrzy do świdrów górniczych a także łożysk w precyzyjnych przyrządach. Ogrzewanie diamentu bez dostępu powietrza prowadzi (powyżej 1500oC) do przejścia w grafit. Natomiast przeprowadzenie odwrotnej przemiany - tj, grafitu w diament sprawia wiele trudności.

Grafit
stanowi drugą odmianę alotropową węgla, która występuje również jako minerał. Jest to ciało czarnoszare, tłustawe w dotyku, bardzo miękkie i o słabym połysku metalicznym. Grafit dobrze przewodzi elektryczność i ciepło, a jego gęstość wynosi 2,1 - 2,3 g/cm3. Sieć przestrzenna grafitu składa się z równoległych warstw, w obrębie których atomy węgla wykazują liczbę koordynacyjną 3. Silne wiązania atomowe występują tylko pomiędzy atomami węgla w warstwie, wiązania pomiędzy warstwami są słabsze.
Grafit z drobnymi dodatkami gliny jako środek wiążący używany do wyrobu tygli do topienia metali. Ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne stosuje się do wyrobu elktrod dla przemysłu chemicznego i elektrometalurgicznego. Grafit stusuje się do wyrobu ołówków, w formie zawiesiny w oleju maszynowym używa się jako smar dla mechanizmów pracujących w podwyższonych temperaturach, a także jako moderator w stosach atomowych.

Węgiel bezpostaciowy
powstaje w wyniku rozkładu termicznego licznych substancji organicznych. Własności węgli bezpostaciowych (sadzy, węgla drzewnego i kostnego, koksu) w znacznym stopniu zależą od produktu wyjściowego oraz temperatury, w której przeprowadzano rozkład.
Sadza jest to produkt rozkładu termicznego licznych węglowodorów oraz niezupełnego spalania różnych substancji organicznych. Znajduje ona zastosowanie przy wyrobie tuszu, farb drukarskich i malarskich, a także do wypełniania kauczuku.
Węgiel drzewny otrzymany jest jako produkt ogrzewania drewna bez dostepu powietrza (sucha destylacja). Charakteryzuje się dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi (adsorbuje gazy oraz wiele innych substancji z roztworów wodnych i niewodnych).
W wyniku zwęglenia węgla drzewnego w możliwie niskich temperaturach z dodatkiem ZnCl2 otrzymuje się węgiel aktywny o bardzo silnie rozwiniętej powierzchni. Węgiel aktywny stosuję do pochłaniania gazów, lub substancji rozpuszczonych w roztworach, np. do odbarwiania preparatów i rozpuszczalników, oczyszczania powietrza z par, osuszania gazów, w maskach przeciwgazowych. Stosuje się go również jako jako nośnik katalizatorów w syntezie organicznej.

Koks
otrzymywany jest w procesie ogrzewania bez dostępu tlenu (suchej destylacji) węgla kamiennego w temp. 1000 - 1200oC. Jes
t stosowany głównie jako środek opałowy oraz w syntezie związków organicznych na skalę przemysłową, np. przy otrzymywaniu acetylenu.

Właściwości chemiczne

Węgiel jest pierwiastkiem dwu- i czterowartościowym, występującym na stopniach utlenienia: +2, +4, -4. Jest mało aktywny chemicznie, nie rozpuszcza się w wodzie, kwasach i zasadach, a w temperaturze pokojowej reaguje tylko z fluorem. Po ogrzaniu reagauje z tlenem i siarką, a w bardzo wysokich temperaturach łączy się bezpośrednio z wodorem oraz z wieloma metalami tworząc tzw. węgliki. Atomy węgla wykazują zdolność do tworzenia między sobą wiązań, wskutek tego istnieje bardzo duża liczba związków węgla, łańcuchowych i pierścieniowych, prostych i rozgałęzionych. W skład tych związków oprócz węgla wchodzą przede wszystkim fluorowce, siarka, tlen i azot.
Diament jako odmiana alotropowa węgla jest również substancją bardzo mało aktywną nawet w wysokich temperaturach. W powietrzu spala się powoli (w temp. powyżej 800oC), w czystym tlenie spalanie jest bardziej gwałtowne. Nie ulega działaniu kwasów ani zasad. Grafit jest substancją mało aktywną, jednak łatwiej wstępuje w reakcje chemiczne niż diament. W powietrzu zaczyna się spalać w temp. 700oC. Fluor w obecności fluorowodoru (HF)  reagauje z grafitem w temperaturze poniżej 100oC, przy braku HF reaguje w temp. powyżej 400oC.

Izotopy

Węgiel skłąda się z dwóch izotopów trwałych: 12C
(98,90%) i 13C (1,10%). Izotopy promieniotwórcze to: 10C (β+, T1/2 = 19,1 s), 11C (β+, T1/2 = 20,4 min), 14C (β-, T1/2 = 5,6 · 103 lat), 15C (β-, T1/2 = 2,25 s), 16C (β-, T1/2 = 0,74 s). W górnych wastwach atmosfery stale tworzy się izotop 14C na skutek działania neutronów promieniowania kosmicznego na trwalu izotop 14N.

Związki węgla

Związki węgla z wodorem

Węgiel z wodorem tworzy węglowodory, które przewyższają liczbę związków wszystkich innych pierwiastków. Węglowodorem o najprostszej budowie jest metan (CH4), który znajduje się na pierwszym miejscu szeregu homologicznego węglowodorów alifatycznych (parafin), którym opowiada wzór CnH2n+2. Kolejne węglowodory tej serii to: etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C5H10) itd.
Metan (CH4) jest bezbarwnym gazem, bez zapachu, który w przyrodzie występuje jako składnik gazu ziemnego i gazu błotnego. Pojawia się również w produktach suchej destylacji drewna i węgla kamiennego. Laboratoryjna metoda otrzymywania metanu to prażenie octanu sodu z wodorotlenkiem sodu.
Etan (C2H6) jest to bezbarwny i bezwonny gaz, łatwo ulegający skropleniu, w przyrodzie występuje jako składnik gazu ziemnego. W laboratorium powstaje podczas elektrolizy stężonego roztworu octanu sodu.
Etylen (C2H4) jest bezbarwnym o słodkawym zapachu, łatwo palny. Powstaje w toku odwadniania alkoholu etylowego. Na skalę techniczną otrzymuje się go metodą katalitycznej dehydratacji par alkoholu, które przepuszcza się w 360oC ponad aktywnym tlenkiem glinu.
Acetylen jest bezbarwny gaz o nieprzyjemnym zapachu pochodzącym od zawartych w nim zanieczyszczeń, spala się jasnym świecącym płomieniem. Powstaje w reakcji endotermicznej, czemu towarzyszy wydzielenie dużej ilości ciepła. Acetylen w temperaturze pokojowej jest nietrwały i w trakcie sprężania lub skraplania łatwo ulega wybuchowemu rozkładowi. Reaguje z wieloma solami metali ciężkich dając połączenia zwane acetylenkami.

Związki węgla z fluorowcami

Węgiel tworzy z wszystkimi fluorowcami związki typu CX4, mogą być uważane za pochodne halogenkowe metanu. Do najpopularniejszych fluorków węgla należą: czterofluorek węgla (CF4), który jest bardzo odporny na działanie podwyższonej temp. oraz na działanie czynników chemicznych, czterochlorek węgla (CCl4), który jest bezbarwną cieczą o odurzającym zapachu i trudno rozpuszczalną w wodzie. Natomiast spośród mieszanych halogenków węgla, zawierających fluor i chlor jest dwuchlorodwufluorometan (CCl2F2), czyli freon stosowany w technice grzewczej.

Związki węgla z tlenem

Tlenek węgla
(CO) zwany czadem, jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i silnie trującym. Powstaje w wyniku spalania węgla i związków organicznych przy niedostatecznym dopływie powietrza. Labolatoryjnie tlenek węgla uzyskuje się przez wkraplanie kwasu mrówkowego do gorącego stężonego kwasu siarkowego. Na dużą skalę jest wytwarzany jako składnik gazu generatorowego i gazu wodnego.
Dwutlenek węgla (CO2) jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, o kwaskowatym smaku, nie pali się oraz nie podtrzymuje palenia. Dwutlenek węgla dość dobrze rozpuszcza się w wodzie i daje się łatwo skroplić . Jego ciężar właściwy jest 1,53 razy większy od ciężaru właściwego powietrza. Labolatoryjnie wywiązuje się w aparacie Kippa w wyniku działania kwasu solnego na marmur.
Podtlenek węgla (C3O2) jest bezbarwnym gazem o nieprzyjemnym zapachu, który w powietrzu spala się niebieskim płomieiem tworząc CO2. Powstaje w wyniku ogrzewania kwasu malonowego (H4C3O4) z pięciotlenkiem fosforu.

Związki węgla z siarką

Węgiel z siarką tworzy takie związki jak: dwusiarczek węgla (CS2), tlenosiarczek COS, a także CSe2, CSSe i CSTe.
Dwusiarczek węgla (CS2) jest to bezbarwna, ruchliwa ciecz, łatwo lotna, silnie łamiąca światło. Wytwarzana jest na skalę techniczną przez działanie par siarki na węgiel drzewny w temp. 800oC lub w reakcji pomiędzy metanem a parami siarki w temp. 500-700oC w obecności żelu krzemowego.

Związki węgla z azotem

Cyjan
(CN)2 w warunkach normalnych jest bezbarwnym gazem, silnie trującym, o zapachu gorzkich migdałów, pali się niebieskim płomieniem z czerwoną otoczką. Dobrze rozpuszcza się w wodzie i alkoholu, skrapla się w temp. -20,7oC i krzepnie w -34,4oC. Cyjan otrzymuje się przez ogrzewanie cyjanku rtęciowego.

Węgliki

Węgliki są to związki węgla z pierwiastkami wykazującymi mniejszą od niego elektroujemność, czyli związki węgla z metalami oraz krzemem i borem. Można je podzielić na:
  • węgliki jonowe, czyli węgliki typu soli, powstające w wyniku ogrzewania odpowiedniego metalu (z grup IA, IIA lub IIIA) lub jego tlenku z węglem lub węglowodorami,
  • węgliki międzywęzłowe powstające w bardzo wysokich temp. (2000oC) w wyniku bezpośredniego działania węgla na metale z grup IVB, VB, VI B,
  • węgliki kowalencyjne, czyli związki węgla z pierwiastkami o zbliżonej elektroujemności (węglik krzemu SiC, węglik boru B4C).