- Rozpowszechnienie węgla w przyrodzie:
Węgiel, który należy do czternastej grupy układu okresowego pierwiastków (węglowce) znany był już ludziom pierwotnym. Za pierwiastek został uznany przez Antoine Lavoisiera. Liczba atomowa tego pierwiastka wynosi 6, natomiast masa atomowa 12. Jest on niemetalem. Atomy węgla maja cztery elektrony walencyjne, a ich konfiguracja elektronowa ma postać: [He]2s2p2. Elektroujemność tego pierwiastka wynosi 2,5.
Węgiel jest bardzo dobrze rozpowszechniony w przyrodzie, gdzie występuje zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związków chemicznych. Spotykamy go w litosferze, hydrosferze i atmosferze. Pierwiastek ten znajduje się zarówno w świecie mineralnym, jak i w organizmach żywych. Węgiel występuje w przyrodzie nieożywionej przede wszystkim w postaci węglanów (kalcyt, dolomit, magnezyt, syderyt) oraz dwutlenku węgla, stanowiącego około 0,03% obj. powietrza oraz rozpuszczonego w wodach rzecznych, morskich, jeziornych itd. tego, że stężenie dwutlenku węgla w powietrzu i w wodach naturalnych jest małe, łączne jego ilości w przyrodzie są ogromne. Ilość węgla obecna w przyrodzie żywej w postaci najróżnorodniejszych związków organicznych jest natomiast w porównaniu z tymi liczbami niezbyt duża. W przyrodzie zachodzi ustawiczny kołowy obieg węgla. Dwutlenek węgla do atmosfery dostaje się z rozmaitych źródeł: jest produktem oddychania organizmów żywych, spalania ciał zawierających węgiel, wydziela się z wnętrza ziemi wraz z gazami wulkanicznymi, z wód mineralnych oraz z wód mórz i oceanów. Rośliny asymilują dwutlenek węgla, przy czym wydzielają czysty tlen. Wielkie zbiorniki wód, takie jak morza i oceany wydzielają dwutlenek węgla, a jednocześnie pochłaniają go w takiej ilości, że istnieje pewien stan równowagi. Część dwutlenku węgla bierze udział w osadzaniu skał składających się z węglanów. W ten sposób dwutlenek węgla biorąc udział w różnych przemianach chemicznych i fizjologicznych tworzy w przyrodzie obieg.
Liczba znanych związków węgla, występujących w przyrodzie żywej oraz otrzymanych sztucznie, przewyższa kilkakrotnie liczbę związków wszystkich innych pierwiastków (z wyjątkiem wodoru). Bogactwo istniejących związków węgla jest związane z dwoma właściwościami tego pierwiastka. Przede wszystkim węgiel wykazuje zdolność do tworzenia prostych, rozgałęzionych lub zamkniętych w pierścienie łańcuchów, które składają się wyłącznie z atomów węgla. Łańcuchy te są trwałe ze względu na wysoką energię wiązania C-C. Drugą ważną cechą węgla jest zdolność tworzenia między atomami węgla wiązań podwójnych i potrójnych.
Węgiel jest podstawowym składnikiem wszystkich tkanek organizmów roślinnych i zwierzęcych. Związkami węgla zarówno naturalnymi jak i sztucznymi zajmuje się chemia organiczna.
W przyrodzie występuje przede wszystkim węgiel 12C. Nieco więcej niż 1% jest węgla 13C. Inne izotopy (izotopy są nuklidami tego samego pierwiastka, które maja taka sama liczbę protonów, natomiast różnią się liczbą neutronów. Zajmują one takie samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków) węgla są promieniotwórcze i mają one, z wyjątkiem węgla 14C, bardzo krótkie okresy połowicznego rozpadu. Czas połowicznego rozpadu węgla 14C wynosi 5730 lat. Izotopy promieniotwórcze (zwane radioizotopami) są niestabilne, a ich atomy samoistnie się rozpadają. Izotopy te charakteryzuje właśnie czas połowicznego rozpadu (czas połowicznego zaniku), czyli czas, w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka. Radioizotopy maja bardzo wiele praktycznych zastosowań. Wegiel-14 jest wykorzystywany do określania wieku przedmiotów i obiektów archeologicznych. Atomy 14C spontanicznie ulegają rozpadowi. Rozpadający się atom 14C wytwarza jedną cząstkę promieniowania beta a sam przekształca się w atom azotu. Metoda, która wykorzystuje radiowęgiel nazywana jest datowaniem radiowęglowym. Została ona zaproponowana w roku 1946 przez W.F. Libby'ego. Powstaje on w górnych warstwach atmosfery, a jego ilość możemy w przybliżeniu uznać za stałą. Jeśli roślina albo zwierze umiera nie uzupełnia ona droga pokarmową ilości węgla w swoim organizmie. Zachodzi rozpad radiowęgla zawartego w organizmie. Chcąc określić moment śmierci wystarczy określić zawartość radiowęgla w organizmie.
W warunkach normalnych węgiel jest mało aktywny chemicznie i łączy się bezpośrednio jedynie z fluorem. Węgiel jest środkiem redukującym i służy do otrzymywania z rud metali czystych, na przykład miedzi, żelaza, cynku, itd.
Związki węgla są również składnikami gazu ziemnego, ropy naftowej, węgli kopalnych (węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, antracyt) oraz otaczającej nasze otoczenie biomasy. Naturalne związki węgla mają olbrzymie znaczenie metaboliczne i gospodarcze, jako nośniki energii i podstawowe surowce w przemyśle chemicznym.
Węgiel kamienny, który jest zaliczany do węgli kopalnych poddawany jest przeróbce. W wyniku suchej destylacji węgla, która polega na prażeniu węgla bez dostępu powietrza otrzymuje się gaz koksowniczy, koks dla hutnictwa oraz surowce chemiczne, takie jak na przykład benzen i jego homologi, fenole itp. Jakość produktów suchej destylacji zależy od rodzaju węgla oraz od warunków prowadzenia procesu (np. od temperatury, ciśnienia itp.). Koks jest bardzo ważnym produktem suchej destylacji węgla. Zawiera on około 96% czystego węgla i jest on szeroko stosowany, między innymi w hutnictwie oraz jako materiał opałowy.
- Odmiany alotropowe węgla:
Węgiel wolny występuje w przyrodzie w dwóch odmianach alotropowych. Alotropia to występowanie pierwiastka chemicznego w stanie wolnym w dwóch lub więcej odmianach, różniących się liczba atomów w cząsteczkach lub strukturą krystaliczną. Co najmniej kilkanaście pierwiastków w stanie wolnym występuje w kilku postaciach, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmianami alotropowymi węgla, które występują w przyrodzie są diament i grafit. Innym przykładem pierwiastka, który występuje w odmianach alotropowych jest tlen. Obok tlenu dwucząsteczkowego, istnieje ozon, czyli tritlen O3.
Diament w stanie czystym tworzy bezbarwne przezroczyste kryształy, bardzo twarde, silnie łamiące światło, nie przewodzące prądu elektrycznego. W sieci przestrzennej diamentu każdy z atomów węgla jest otoczony przez cztery inne atomy, których środki ciężkości wyznaczają czworościan foremny. Wszystkie wiązania chemiczne w sieci przestrzennej diamentu są wiązaniami kowalencyjnymi. Długość tych wiązań jest jednakowa i wynosi 154pm. Taka sama jest długość wiązania między atomami węgla (C-C) w cząsteczce etanu. Pod względem chemicznym diament jest bardzo mało aktywny nawet w dużych temperaturach. Ulega powolnemu spalaniu w powietrzu dopiero powyżej temperatury wynoszącej 1100K w czystym tlenie spalanie ma bardziej gwałtowny przebieg. Diamenty nie ulegają działaniu zasad i kwasów. Natomiast ulega reakcji ze stopioną saletrą i stopionym węglanem sodu.
Diamenty zawierające obce domieszki są zabarwione na żółto, brunatno, fioletowo lub zielono, a w Brazylii znajdują się diamenty zabarwione nawet na czarno (karbonado). Diament krystalizuje w wysokich temperaturach i ciśnieniach panujących głęboko pod powierzchnią Ziemi. Spotykano go też w meteorytach, gdzie być może powstaje w wyniku metamorfizmu uderzeniowego. Diamenty występują na Borneo, w Indiach Wschodnich, Meksyku, Kalifornii i w Afryce. Ciężar diamentów mierzy się w jednostkach zwanych karatami, przy czym jeden karat waży 0,2g. Oszlifowane diamenty zwane brylantami, odznaczają się przepiękną grą świateł i są uważane za najpiękniejsze kamienie szlachetne. Diament niezwykle silnie załamuje światło, a także bardzo silnie je rozszczepia. Okazy diamentów, które nadają się do celów jubilerskich spotykane są stosunkowo rzadko. Przeważająca część wydobywanych diamentów używana jest do celów technicznych: szlifowania bardzo twardych ciał, cięcia szkła, wyrobu ostrzy do świdrów górniczych, a także łożysk do osi w precyzyjnych przyrządach.
Gęstość diamentu wynosi 3,5g/cm3. Ogrzewany bez dostępu powietrza diament przechodzi w grafit. Przeprowadzenie przemiany w odwrotnym kierunku napotyka wiele trudności, które zostały pokonane dopiero w ostatnich latach. Grafit posiada mniejszą gęstość, a co za tym idzie luźniejszą strukturę sieci przestrzennej niż diament. Przemiana grafitu w diament wymaga zastosowania wysokiego ciśnienia. Znane są doświadczenia francuskiego naukowca Moissana, które były prowadzone w latach 1893-1896. Rozpuszczał on grafit w stopionym żelazie, a otrzymany stop chłodził następnie w ciekłym ołowiu. Szybko krzepnąca zewnętrzna warstwa stopu kurczyła się i wywierała bardzo wysokie ciśnienie na nie zakrzepniętą jeszcze ciecz, która znajdowała się głębiej. Wydzielanie się węgla ze stopu w czasie stygnięcia zachodziło pod znacznie zwiększonym ciśnieniem. Po roztworzeniu zakrzepniętego metalu w kwasie Moissan znajdował w pozostałości niewielkie ziarna, które uważał za kryształki diamentu. Obecnie jednak wyniki te uważa się za wątpliwe. Przeprowadzenie przemiany grafitu w diament, która nie budziła żadnych wątpliwości udało się przeprowadzić dopiero w roku 1955 przez amerykański zespół badawczy pod kierownictwem R. Wentorfa. Otrzymane sztucznie diamenty nie nadają się do celów jubilerskich, ale w zastosowaniach przemysłowych nie ustępują diamentom naturalnym. Produkowane według najnowszych technologii sztuczne diamenty mają taką samą strukturę atomu, jak ich "naturalni" kuzyni. Aby odróżnić naturalne diamenty od syntetycznych, eksperci korzystają z supernowoczesnego sprzętu.
Diament znany był już w starożytnej Grecji. Słowo "diament" pochodzi od greckiego "adamas", co oznacza niezwyciężony. Stara legenda hinduska głosi, że diament powstaje z pięciu elementów: wody, ziemi, nieba, powietrza, energii i stąd wynika jego moc i niezwykłe właściwości. Z diamentem wiązano wiele przesądów. Był używany jako amulet chroniący przed urokiem i mocą szatańską. Mógł rozproszyć diabelskie ciemności i odbijać pioruny. Dziś krystaloterapia stosuje go jako środek wzmacniający siły ducha i umysłu. Diamenty zostały przywiezione do Europy z Indii, gdzie były wydobywane z piasków rzecznych i żwirów. Znacznie później zostały odkryte pokłady znajdujące się w Afryce i do dziś właśnie tam są wydobywane. Jednak najpiękniejsze okazy diamentów zostały wydobyte właśnie w Indiach. W Europie diamenty stały się modne dopiero w XII wieku, kiedy zaczęły napływać ze Wschodu w większych ilościach, w okresie wojen krzyżowych. Aż do XVI stulecia nie ceniono ich jednak bardziej niż kryształy górskie. Na królewskich insygniach błyszczały raczej rubiny i szmaragdy. Stopniowo jednak poszerzała i utrwalała się opinia o absolutnej piękności i trwałości diamentów.
W obecnych czasach na świecie wydobywanych jest około 100 milionów karatów, czyli 20 ton diamentów na rok. Roczna produkcja diamentów syntetycznych wynosi obecnie około 450 milionów karatów, co pokrywa około 90% łącznego światowego zapotrzebowania.
Syntetyki produkowane są przy zastosowaniu tzw. metody wysokociśnieniowo-wysokotemperaturowej. Na dnie komory reakcyjnej umieszcza się syntetyczne zarodki kryształu diamentów, a w jej obrębie - syntetyczny diamentowy proszek z dodatkami pierwiastków żelaza, kobaltu, grafitu, niklu. Temperatura w komorze wynosi od 1350°C do ok. 1500°C. Czas wzrastania diamentu jednokaratowego wynosi około 60 godzin, a pięciokaratowego - ok. 180 godzin. Początkowo diamenty syntetyczne były wytwarzane tylko w bardzo małych jednostkach. Już jednak na początku lat siedemdziesiątych w zakładach General Electric zaczęto produkować diamenty o masie ponad 1 karata. Na dzień dzisiejszy wytworzenie kamieni o masie ok. 20 karatów i większych już nie stanowi, od strony technicznej, żadnego problemu.
Diamenty do dzisiejszych czasów są znakiem władzy i bogactwa, rozbudzając tym samym żądze i namiętność.
Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Występuje on także w postaci minerału. Jest on czarnoszarym ciałem stałym, o słabym metalicznym połysku, tłustym w dotyku, bardzo miękkim i bardzo dobrze przewodzącym ciepło i elektryczność. Gęstość grafitu wynosi 2,1-2,3g/cm3. Sieć przestrzenna grafitu zbudowana jest z równoległych warstw, w obrębie których atomy węgla wykazują liczbę koordynacyjną 3. Wiązania między atomami węgla w sieci przestrzennej grafitu maja długość 142pm. Kąt między wiązaniami wynosi 120°. Odległość dwóch sąsiadujących ze sobą warstw wynosi 335pm. Grafit zawiera atomy węgla w hybrydyzacji sp2. Ze względu na słabe powiązanie warstw, grafit charakteryzuje się dobrą łupliwością w kierunku do nich równoległym, a co za tym idzie wykazuje on bardzo małą twardość. Grafit nie koroduje i jest antystatyczny. Grafit znalazł bardzo wiele zastosowań. Odporność grafitu z niewielką domieszką gliny na wysokie temperatury spowodowała, że jest on wykorzystywany do produkowania tygli chemicznych. Grafitu używa się również do wyrobu elektrod dla przemysłu elektrochemicznego i elektrometalurgicznego, co jest związane z jego dobrym przewodnictwem elektrycznym. Grafit znalazł również zastosowanie do wyrobu ołówków, w formie zawiesiny w oleju maszynowym jest stosowany jako smar do mechanizmów pracujących w wyższych temperaturach. Grafitu używa się także jako moderatora w reaktorach jądrowych.
Grafit jest mało aktywny chemicznie. Jest on jednak bardziej reaktywny niż diament. Grafit spala się w powietrzu po ogrzaniu do temperatury około 1000K.
Grafit występuje w większej ilości przede wszystkim na wyspie Ceylon, Madagaskarze, Syberii, Korei, w Stanach Zjednoczonych i Kalifornii.
Dawniej za odmianę alotropową węgla uważano także sadzę. Jest ona czarnym, miękkim ciałem stałym. Sadza składa się z drobnych cząsteczek grafitu. W skali przemysłowej otrzymuje się ją przez rozkład termiczny węglowodorów lub w procesie ich niecałkowitego spalania. Znajduje ona zastosowanie do wyrobu tuszu, farb drukarskich i malarskich, a także do wypełniania kauczuku.
Fulereny (fullereny) składają się z parzystej ilości atomów węgla. To kolejna odmiana alotropowa węgla, która została odkryta stosunkowo niedawno. Ich kształt często przypomina kulę lub sferoidę. Fulereny to miękkie żółte lub brązowe kryształki, które łatwo sublimują i są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Nie rozpuszczają się w wodzie. Najtrwalsze i najczęściej spotykane fulereny to: C60 i C70. Ten pierwszy jest nazywany jest futbolanem ze względu na kształt, który dla piłki futbolowej jest taki sam. Mówiąc bardziej naukowo C60 to dwudziestościan o ściętych wierzchołkach, w ten sposób, że cząsteczkę tworzy 12 pierścieni pentagonalnych i 20 heksagonalnych. Nazwa fulereny została nadana na cześć budowniczego Buckminstera Fullera, który to skonstruował kopuły do złudzenia przypominające odkryte związki. Fulereny naturalnie można spotkać w szungicie (minerał) i strzałkach piorunowych - tworach powstałych w miejscu uderzenia pioruna w ziemię.
Nanorurki (CNT) - są bliskimi kuzynami fulerenów. Nanorurki są strukturami o średnicy wewnętrznej wynoszącej od ułamka do kilkuset nanometrów, oraz długości rzędu nawet kilku tysięcy nanometrów.Zostały odkryte w 1991 rok. Nanorurki to struktury węglowe, wyglądające jak bardzo rozciągnięte fulereny - kształt ich przypomina tubę, czyli pusty walec. Z ich kształtu wynikają bardzo ciekawe właściwości. Są one bardzo wytrzymałe i mają duże przewodnictwo cieplne. Nanorurki są wykorzystywane w elektronice.
