Dodaj do listy

Właściwości, występowanie, znaczenie i ważniejsze związki węgla

Węgiel to pierwiastek bardzo szeroko występujący w przyrodzie, gdzie spotykany jest zarówno w stanie wolnym jak i związanym. Związkami chemicznymi, które zawierają węgiel i występują w przyrodzie są dwutlenek węgla, węglany, różne związki organiczne oraz paliwa kopalne, czyli ropa naftowa, gaz ziemny i węgle kopalne. Węgiel jest niemetalem, którego liczba atomowa wynosi 6, natomiast masa atomowa jest równa 12,011. Węgiel jest położony w czternastej grupie układu okresowego pierwiastków, która nosi nazwę węglowców. Węgiel ulega sublimacji bez stopienia w temperaturze wynoszącej 3653ºC. W temperaturze pokojowej pierwiastek ten jest bierny pod względem chemicznym. Nie ulega on rozpuszczeniu w kwasach, zasadach oraz w wodzie.

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych. Alotropia to zjawisko, które polega na występowaniu jednego pierwiastka w kilku odmianach, które posiadają różne właściwości chemiczne, fizyczne, różną budowę krystaliczną, a czasami różne ilości atomów w cząsteczkach (np. trójatomowy ozon i dwuatomowy tlen). Odmianami alotropowymi węgla są: grafit, diament Diament minerał. Odmiana czystego węgla, tworząca przeważnie bezbarwne, przezroczyste kryształy o ekstremalnej twardości minerału: 10 w skali Mohsa (największej ze wszystkich minerałów). Występuje w skałach... Czytaj dalej Słownik geograficzny i fullereny.

Diament jest najtwardszym minerałem. Oszlifowane diamenty noszą nazwę brylantów i stanowią najcenniejsze i najpiękniejsze kamienie szlachetne. Czyste diamenty są bezbarwne, natomiast zanieczyszczenia powodują, że mogą one przyjmować zabarwienie żółte, fioletowe, brunatne, a nawet czarne. Diamenty bardzo silnie załamują światło. Mogą być otrzymane sztucznie. Złoża tego minerału występują w Rosji, RPA, Brazylii, Nambii i Indiach. Diamenty znalazły zastosowanie w wiertnictwie, do obróbki szkła, jako materiał ścierny, w jubilerstwie i złotnictwie.

Grafit to miękkie, łupliwe, czarne ciało stałe. Cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym oraz dużą odpornością na działanie wysokich temperatur. Jest on odporny na działanie czynników chemicznych i tłusty w dotyku. Gęstość grafitu ma wartość 2,3g/cm3. Grafit można otrzymać sztucznie. Stosowany jest do produkcji ołówków, farb, tuszów, elektrod, tygli chemicznych, w reaktorach jądrowych oraz jako suchy smar.

Fullereny to trzecia odmiana alotropowa węgla, która nie jest spotykana w przyrodzie (przypuszcza się, że fullereny mogą występować w pyłach kosmicznych). Mogą one zostać otrzymane poprzez odparowanie grafitu w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni. Fullereny składają się z parzystej liczby atomów węgla. Największa zaobserwowana cząsteczka posiada 960 atomów węgla. Najczęściej spotykane fullereny posiadają 60 i 70 atomów węgla.

Symbol węgla to C i pochodzi on od jego nazwy łacińskiej carboneum. Węgiel znany był już w czasach starożytnych i jest to bardzo ważny pierwiastek biogenny. Węgiel w swoich połączeniach przyjmuje +IV, +II (w tlenku węgla CO) i -IV stopień utlenienia. W temperaturze pokojowej węgiel ulega powolnej reakcji z tlenem. Szybkość tej reakcji rośnie jeśli zwiększy się temperaturę, w której zachodzi. Gdy dostęp tlenu jest niecałkowity w reakcji tej otrzymuje się CO, natomiast przy całkowitym dostępie tlenu uzyskujemy dwutlenek węgla CO2. Węgiel wykazuje właściwości redukujące i może on służyć do otrzymywania metali z ich tlenków na skutek ogrzewania. W podwyższonych temperaturach węgiel łączy się z niektórymi metalami tworząc węgliki, które są związkami chemicznymi zbudowanymi a atomów węgla i atomów niektórych metali, albo czasami pewnych niemetali. Węgliki można otrzymać w wyniku bezpośredniej syntezy z pierwiastków, albo redukcji tlenków węgla w podwyższonych temperaturach. Węgliki należą do substancji krystalicznych. Węgliki metali pierwszej (litowców), drugiej (berylowców) i trzynastej (borowców) grupy układu okresowego pierwiastków, reagują z kwasami i wodą wydzielając przy tym węglowodory. Węglik wapnia CaC2, zwany karbidem, reaguje z wodą dając etyn (tzw. acetylen):

CaC2 + H2O = C2H2 + Ca(OH)2

Duża ilość węglików metali przejściowych, węglik krzemu oraz boru charakteryzuje się znaczna twardością, odpornością na działanie kwasów i wody i dużymi temperaturami topnienia. Są one stosowane jako spieki w produkcji narzędzi do skrawania, jako materiały ścierne i ogniotrwałe, stanowią reduktory i elementy grzejne w piecach elektrycznych.

Dwutlenek węgla, CO2 (tlenek węgla(IV)) ulega reakcji z wodą tworząc nietrwały, słaby kwas węglowy, o wzorze H2CO3. Kwas węglowy jest związkiem nieorganicznym i należy do kwasów dwuprotonowych. Kwas ten powstaje w niewielkich ilościach na skutek rozpuszczenia dwutlenku węgla w wodzie, co pokazuje równanie reakcji:

CO2 + H2O = H2CO3

Jeśli następuje zagęszczanie roztworu kwas węglowy się rozkłada i nie jest możliwe otrzymanie tego związku w stanie wolnym. Wyróżnia się dwie grupy pochodnych tego kwasu. Są to wodorowęglany oraz węglany. Węglany stanowią liczny i ważny zbiór minerałów. Są one źródłem wielu metali oraz bardzo często występują obok złóż rudnych. Anion węglanowy łączy się w węglanach z kationami: żelazowym, magnezowym, wapniowym, manganowym, cynkowym, miedziowym, ołowiowym, a niekiedy z anionami wodorotlenowymi i chlorkowymi, które są anionami dopełniającymi. Do najważniejszych przedstawicieli węglanów zaliczamy: magnezyt, dolomit, syderyt i kalcyt.

Kalcyt to bardzo ważny minerał skałotwórczy, który występuje jako bardzo różnorodne skupienia. Można spotkać nie tylko skupienia zbite, ziarniste, włókniste, ale również formy naciekowe, takie jak stalagmity i stalaktyty. Kalcyt Kalcyt minerał, węglan wapnia (CaCO3), bardzo pospolity składnik wielu skał, m.in. wapieni, margli i marmurów.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
stanowi trygonalną odmianę węglanu wapnia. Kalcyt wchodzi w skład skał wapiennych, które mogą być zarówno pochodzenia nieorganicznego, jak i organicznego. Spotykany jest także w hydrotermalnych złożach żyłowych. Charakteryzuje się on bardzo silną dwójłomnością. Kalcyt wpływa na szereg właściwości gleby. Zapobiega on zakwaszaniu gleb i ma działanie strukturotwórcze. Kalcyt wchodzi w skład marmurów. Skały, w skład których wchodzi kalcyt (marmury wapienie), mają ogromne znaczenie w gospodarce. Kalcyt występuje przede wszystkim Czechach, USA, Niemczech, Wielkiej Brytanii i w Polsce.

Dolomit to sól podwójna, której wzór przedstawia się następująco MgCO3 CaCO3. Przeważnie minerał ten zawiera pewne ilości niklu, żelaza, kobaltu i cynku. Wchodzi on w skład skał, które noszą te samą nazwę - dolomity. Występuje również w marglach i wapieniach. Dolomit Dolomit 1. Minerał skałotwórczy, węglan wapnia i magnezu CaMg(CO3)2, o twardości minerału 3,5-4 i gęstości 2,9 g/cm3. 2. Skała osadowa pochodzenia chemicznego, morskiego powstała przez zastąpienie wapnia... Czytaj dalej Słownik geograficzny może być szary, bezbarwny lub biały. Posiada on szklisty połysk i osadza się on przede wszystkim z wód morskich. Wyróżnia się dolomit pierwotny i dolomit wtórny. Dolomit pierwotny wytrąca się bezpośrednio z wody morskiej, natomiast dolomit wtórny powstaje w wyniku metasomatozy (wypieranie jednego składnika przez inny, w tym przypadku magnez Magnez Mg - makroelement, pierwiastek występujący powszechnie w organizmach żywych. Jest ważnym składnikiem enzymów, płynów fizjologicznych (Mg2+), szkieletu wewnętrznego zwierząt (fosforan magnezu).... Czytaj dalej Słownik biologiczny wypiera wapń).

Syderyt FeCO3 to ważna ruda żelaza. Zawiera on około 48% żelaza. Twardość syderytu to około 4-4,5 w skali Mohsa. syderyt jest spotykany w hydrotermalnych żyłach, pęcherzach pogazowych skał wulkanicznych i skałach osadowych. Najczęściej spotykany syderyt ma barwę brunatną, szarą lub żółtawą. Minerał ten spotykany jest w USA, Rosji, Niemczech oraz w Polsce.

Magnezyt to sól magnezowa kwasu węglowego, o wzorze MgCO3. Tworzy on zbite lub gruboziarniste skupienia. Jest on kruchy, a jego barwa jest najczęściej żółtawa, biała, brunatna lub szara. Magnezyt znalazł zastosowanie do produkcji materiałów ogniotrwałych, izolatorów elektrycznych i cementu. Jest również stosowany w przemyśle papierniczym.

Węglany kwaśne, czyli wodorowęglany to bardzo nietrwałe estry i sole kwasu węglowego. Estry są to związki organiczne, które stanowią ciecze o przyjemnym zapachu. Ulegają one wrzeniu bez rozkładu i znalazły zastosowanie w syntezach organicznych. Poliwęglany, czyli poliestry kwasu węglowego są wykorzystywane jako tworzywa termoplastyczne. Najważniejszymi wodorowęglanami są: wodorowęglan amonu i wodorowęglan sodu. Węglanem obojętnym jest na przykład węglan wapnia CaCO3, który bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie.

Węgiel jest bardzo ważnym surowcem energetycznym. Tworzy on ogromna liczbę połączeń organicznych, stanowiąc tym samym podstawę życia na Ziemi. Izotop węgla 14C, który jest promieniotwórczy, pełni bardzo ważną funkcję w różnych badaniach biochemicznych. Węgiel jest składnikiem ropy naftowej i gazu ziemnego.

Atomy węgla w stanie wzbudzonym posiadają konfigurację: 1s22s12p3. Wzbudzony atom węgla ma więc cztery Cztery Liczba cztery symbolizuje wszechświat materialny, cztery pory roku, cztery strony świata, cztery kwadry księżyca, cztery wiatry, cztery wieki ludzkości, cztery rzeki Hadesu, cztery konie Apokalipsy,... Czytaj dalej Słownik symboli literackich niesparowane elektrony na swojej powłoce walencyjnej i może on utworzyć cztery wiązania kowalencyjne. Konfiguracja ostatniej powłoki wskazuje na to, że orbital 2s posiada odmienna energię od trzech pozostałych orbitali 2p. Ta różna energia wskazuje na to, że atom ten tworzy dwa różne rodzaje wiązań chemicznych. Tak jednak nie jest. Reakcje chemiczne z udziałem atomów węgla potwierdzają, że wszystkie cztery wiązania utworzone przez atom węgla w połączeniach organicznych posiadają jednakowy charakter. Upraszczając, można przyjąć, że orbitale powłoki walencyjnej ulegają "wymieszaniu", a ich energia zostaje uśredniona. Każdy z tych orbitali tworzy zatem ten sam charakter wiązań. Kolejną ważną cechą atomów węgla jest możliwość tworzenia przez nie długich, zarówno prostych, jak i rozgałęzionych łańcuchów oraz pierścieni, które są złożone z atomów węgla. Wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomami węgla posiada wysoką wartość energii, co przyczynia się do dużej trwałości połączeń organicznych i umożliwia utworzenie związków zawierających nawet kilka tysięcy atomów węgla. Tak ogromna liczba związków organicznych jest spowodowana również możliwością tworzenia wiązań podwójnych i potrójnych pomiędzy atomami węgla.

Węgiel jest wydobywany już od ponad półtora wieku. W 1993 roku całkowita produkcja Produkcja zorganizowana działalność ludzi polegająca na wytwarzaniu dóbr materialnych oraz świadcząceniu usług, służąca zaspokojeniu potrzeb.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
węgla osiągnęła wartość 3655 milionów ton. Całkowite wydobycie do roku 1980 zostało ocenione na 140 miliardów ton, z czego 60% spalono w elektrowniach, 25% znalazło zastosowanie w koksowniach, a 15% zużywane zostało bezpośrednio w przemyśle i przez ludzi. Pierwszą kopalnię węgla otworzono w 1113 roku w Aachen na południu Niemczech.

Metoda stosowana do wydobywania węgla, jest uzależniona od głębokości, na jakiej znajdują się złoża. Wyróżniamy dwie metody wydobycia węgla: metodę głębinową i metodę odkrywkową. Metoda głębinowa polega na budowaniu podziemnych kopalni, które stanowią systemy tuneli, które przecinają złoże węgla. Najgłębiej położone kopalnie (3500 metrów pod ziemią) znajdują się w RPA. Natomiast druga z metod - odkrywkowa, to stopniowe odkrywanie warstw, które pokrywają pokłady węgla. Stosuje się ją w przypadku złóż znajdujących się na niewielkich głębokościach. Kopalnie wykorzystujące metodę odkrywkową są dużym zagrożeniem dla środowiska, ponieważ powodują zmiany w krajobrazie, które są nieodwracalne.

Węgiel jest składnikiem węgli kopalnych. Węgiel kopalny to skała osadowa pochodzenia organicznego, która powstała w odległych okresach geologicznych ze szczątków roślinnych. W zależności od materiału roślinnego, z którego powstały węgle kopalne, można rozróżnić: węgle humusowe, zwane humolitami (utworzyły się na torfowiskach z roślin lądowych, są najbardziej rozpowszechnione), węgle sapropelowe, tzw. sapropelity (utworzone zostały z roślinności morskiej, przede wszystkim glonów), węgle liptobiolitowe, nazywane również liptobiolitami (powstałe z żywiczno-woskowych elementów roślin). Węgle kopalne są mieszaniną różnorodnych związków organicznych, w skład których wchodzą przede wszystkim: siarka, tlen, węgiel, wodór, azot. W skład węgli kopalnych wchodzą również składniki mineralne (krzemiany, węglany i siarczki) i niewielkie ilości pierwiastków rzadkich, czyli wanadu, arsenu, uranu, galu i germanu. W węglach kopalnych można wyodrębnić podstawowe elementy o jednakowych właściwościach chemicznych, fizycznych i morfologicznych, zwanych macerałami.

W zależności od zawartości pierwiastkowego węgla, węgle kopalne można podzielić na: szungit, antracyt, węgiel kamienny, węgiel brunatny i torf. Szungit posiada największą ilość pierwiastka węgla (nawet do 98%). Występuje on w Rosji, Szwecji i Kanadzie. Znalazł on zastosowanie przede wszystkim w przemyśle chemicznym. Kolejnym węglem kopalnym o znacznej zawartości węgla jest antracyt. Posiada on nawet do 96% tego pierwiastka. Antracyt Antracyt odmiana węgla kamiennego zawierająca od 92 do 97% węgla pierwiastkowego. Cechuje się największą kalorycznością spośród wszystkich odmian węgla kamiennego.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
ma silny półmetaliczny połysk i jest czarny. Stanowi on dobry przewodnik elektryczności i jest wysokogatunkowym paliwem (spala się dając mało popiołu i dużo ciepła). Antracyt znalazł zastosowanie w produkcji elektrod. Antracyt jest spotykany przede wszystkim w karbońskich osadach, na które działała duża temperatura i wysokie ciśnienie. Węgiel kamienny ma od 78 do 92% węgla. Węgiel kamienny pali się długim, błyszczącym płomieniem. Jest on zwarty, kruchy i ma czarną barwę. Węgiel kamienny jest mieszaniną kilku odmian petrograficznych, które różnią się twardością i połyskiem. Odmianami tymi są: węgiel błyszczący (zwany witrynem), węgiel półbłyszczący (czyli klaryn), węgiel matowy (tzw. duryn) oraz węgiel włóknisty (nazywany fuzynem). Wyróżnia się różne technologiczne rodzaje węgla kamiennego, które różnią się m.in. zawartością składników lotnych, ciepłem spalania czy spiekalnością. Można rozróżnić zatem: węgiel chudy, węgiel płomienny (są one stosowane do budowania generatorów, pieców domowych i przemysłowych), węgiel gazowo-płomienny (znalazł zastosowanie do uwodorniania, wytlewania i produkcji pieców domowych i przemysłowych), węgiel gazowy, węgiel gazowo-koksowy (używany w koksownictwie oraz gazownictwie), węgiel ortokoksowy (stosowany do otrzymywania koksu metalurgicznego), węgiel metakoksowy (do otrzymywania koksu odlewniczego), węgiel semikoksowy ( stosowany w koksownictwie) oraz węgiel antracytowy (który jest składnikiem paliwa specjalnego).

W skład węgla kamiennego wchodzi 78-92% pierwiastkowego węgla, 2,2-5,5% wodoru, 2,5-18% tlenu, woda w 1-8% oraz inne składniki mineralne. Węgiel kamienny jest najbardziej rozpowszechnionym węglem kopalnym. Węgiel ten stanowi głównie surowiec Surowiec przedmiot naturalny (powstały w naturalnym procesie genetycznym), pochodzenia mineralnego, roślinnego lub zwierzęcego, wykorzystywany do dalszego przetwarzania (w przemyśle przetwórczym) w celu uzyskania... Czytaj dalej Słownik geograficzny energetyczny, ale jest również surowcem do otrzymywania benzyny, gazów, koksu oraz smoły. Węgiel kamienny wydobywa się metodą głębinową. Ze względu na swój stały stan skupienia, nie wydostaje się samodzielnie na powierzchnię. W Polsce węgiel kamienny spotykany jest w Zagłębiu Dolnośląskim i Górnośląskim. Znajdują się tam różnorodne typy węgla kamiennego, między innymi węgle energetyczne, które są używane w piecach przemysłowych, domowych i generatorach. Węgiel kamienny utworzył się na skutek nagromadzenia i przeobrażenia materiału roślinnego. Największe pokłady tego surowca znajdują się w Rosji, na Ukrainie, USA, Niemczech, Kanadzie, RPA, Chinach, Wielkiej Brytanii i Polsce. Obecnie wydobycie węgla kamiennego maleje. Jest to związane z zamykaniem nierentownych kopalni, wyczerpywaniem złóż tego surowca, stosowanie innych źródeł energii oraz wdrażanie surowców oszczędnych i energooszczędnych technologii.

Węgiel kamienny to bardzo ważne paliwo, które jest wykorzystywane bezpośrednio, albo po wykonaniu przeróbki chemicznej. Węgiel stanowi też ważny surowiec przemysłu chemicznego. Kaloryczność węgla wynosi 5000-7500kcal/kg. Węgiel jest używany do opalania pieców w hutach, jest wykorzystywany w elektrociepłowniach i elektrowniach węglowych.

Inna odmianą węgla kopalnego jest węgiel brunatny. Zawartość pierwiastkowego węgla w węglu brunatnym waha się w granicach 65-75%. Węgiel brunatny stanowi głównie surowiec energetyczny, ale jest używany do otrzymywania benzyny, smoły wylewnej, smarów i olejów opałowych. W Polsce pokłady tego surowca są spotykane pomiędzy Wartą a górnym biegiem Nysy i szacuje się, że złoża te wynoszą wiele miliardów ton. Węgiel brunatny spotykany jest w: Zagłębiu Bełchatowskim (tam są największe zasoby), Zagłębiu Turoszowskim (Turoszów, Bogatynia), Zagłębiu Konińskim (Konin, Koło o Turek). Węgiel brunatny wydobywa się za pomocą metody odkrywkowej. Odmianami tego węgla kopalnego są: węgle ksylitowe, węgle miękkie i węgle twarde. Węgiel brunatny jest wydobywany w Niemczech (Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Łużyckie Zagłębie Węglowe i Saskie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Podmoskiewskie), Czechach (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), Australii (Latrobe), Kanadzie, USA, i Indiach. Węgiel brunatny jest tanim materiałem opałowym oraz stanowi ważny surowiec chemiczny, który przerabia się poprzez uwodornianie, wytlewanie i zgazowanie. Niektóre składniki węgla brunatnego służą do ekstrahowania wosku montanowego. Węgiel brunatny znalazł także zastosowanie w ogrodnictwie (stanowi podłoże i czynnik użyźniający gleby).

Torf to węgiel kopalny o najmniejszej ilości pierwiastkowego węgla (około 60%). Jest to brunatna bądź czarna skała osadowa, która powstała z roślin bagiennych na skutek biochemicznych procesów torfowienia. Torf wykorzystywany jest w leśnictwie, ogrodnictwie, jako surowiec do produkcji nawozu organicznego oraz jako paliwo.

Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi i ma bardzo ważne znaczenie dla człowieka. Wchodzi on w skład gazu ziemnego, ropy naftowej i węgli kopalnych, bez których nie byłby możliwy rozwój cywilizacji. Stanowi on ponadto bardzo ważny surowiec energetyczny. Węgiel jest składnikiem tkanek każdego żywego organizmu, stanowi składnik produktów przemiany materii i rozkładu związków organicznych. Węgiel wchodzi w skład związków znajdujących się w hydrosferze, atmosferze (dwutlenku węgla). Na skutek suchej destylacji węgla (tak zwane odgazowanie węgla) otrzymuje się koks, który jest wysokoenergetycznym paliwem, w którym zawartość węgla pierwiastkowego sięga nawet do 96%. Koks to stała porowata substancja, która oprócz węgla zawiera siarkę, wodę, składniki mineralne, ślady fosforu i niewielkie ilości składników gazowych. Wyróżnia się kilka rodzajów koksu. Najważniejszym rodzajem jest koks hutniczy (zwany metalurgicznym), który jest stosowany do redukcji tlenków zawartych w rudach. Koks jest stosowany jako paliwo oraz jako surowiec w przemyśle chemicznym. Sucha destylacja węgla polega na ogrzewaniu węgla w bardzo wysokiej temperaturze (ogrzewanie w 900-1300ºC to koksowanie, a w 500-600ºC - wytlewanie) bez dostępu powietrza. Na skutek suchej destylacji węgla oprócz koksu otrzymuje się szereg produktów ubocznych. Są to woda pogazowa, smoła pogazowa, gaz koksowniczy (zwany gazem świetlnym).