Węgiel jest pierwiastkiem bardzo dobrze rozpowszechnionym w przyrodzie. Jest niemetalem, który ma liczbę atomową 6, natomiast jego masa atomowa wynosi 12,011. Węgiel należy do czternastej grupy układu okresowego, zwanej węglowcami. Niemetal ten ulega sublimacji bez stopienia w temperaturze 3653°C. w temperaturze pokojowej jest on mało aktywny pod względem chemicznym. Pierwiastek ten znany był już w starożytności. W przyrodzie spotykany jest zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związków chemicznych (jako węglany, dwutlenek węgla, różne związki organiczne, oraz składnik węgli kopalnych). Pierwiastek ten to najważniejszy pierwiastek biogenny. w związkach chemicznych węgiel występuje na +II (w tlenku węgla(II) CO), +IV, -IV stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej węgiel ulega powolnej reakcji z tlenem. Szybkość tej reakcji zwiększa się przy zwiększaniu temperatury. Węgiel w zależności od ilości dostępnego tlenu spala się dając dwutlenek węgla CO2 (przy całkowitym dostępie tlenu) lub do tlenku węgla CO (przy niecałkowitym dostępie tlenu). Pierwiastek ten ma własności redukujące, co powoduje, że jest wykorzystywany do otrzymywania metali z ich tlenków. Węgiel łączy się z metalami w bardzo wysokich temperaturach, dając węgliki. Węglikami nazywamy związki chemiczne złożone z atomów węgla i atomów metali lub niektórych niemetali. Otrzymuje się je na skutek bezpośredniej syntezy z odpowiednich pierwiastków albo redukcji tlenków węgla w podwyższonej temperaturze. Należą one do substancji krystalicznych. Węgliki berylowców, litowców, i borowców reagują z kwasami oraz wodą dając odpowiedni węglowodór. Przykładem takiej reakcji może być reakcja węgliku wapnia CaC2 (zwanego karbidem) z wodą, która daje etyn C2H2 (acetylen). Reakcja ta może być przedstawiona za pomocą równania:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Większość węglików metali przejściowych oraz węglik krzemu i węglik boru wykazują dużą trwałość, posiadają wysoką temperaturę topnienia oraz są odporne na działanie kwasów i wody. Węgliki znalazły zastosowanie do wyrobu materiałów ściernych, materiałów ogniotrwałych, elementów grzejnych wykorzystywanych w piecach elektrycznych, jako spieki do produkowania narzędzi skrawających, oraz reduktory.

Dwutlenek węgla na skutek reakcji z wodą daje nietrwały, słaby kwas węglowy H2CO3. Zatem dwutlenek węgla jest bezwodnikiem kwasu węglowego. Kwas węglowy na skutek reakcji z zasadami tworzy sole. Powstaje no także w niewielkich ilościach podczas rozpuszczania CO2 w wodzie, co można przedstawić poniższym równaniem:

CO2 + H2O = H2CO3

Pod wpływem zagęszczania roztworu kwas węglowy rozkłada się i nie może być otrzymany w stanie wolnym. Pochodnymi kwasu węglowego są wodorowęglany i węglany obojętne. Węglany to liczna i bardzo ważna grupa minerałów, które często występują obok złóż rudnych. Mogą one być także źródłem metali. Anion węglanowy CO32- łączy się w węglanach z kationami różnych metali, np. magnezu, żelaza, cynku, wapnia, ołowiu, manganu, miedzi, a czasami z anionami OH- i Cl-. Do najważniejszych przedstawicieli węglanów zaliczany jest: dolomit, kalcyt, syderyt, magnezyt.

Kalcyt to minerał skałotwórczy, który występuje w postaci bardzo różnorodnych skupisk. Jest on trygonalną odmianą węglanu wapnia CaCO3. Posiada bardzo silną dwójłomność. Tworzy skupienia zbite, ziarniste, włókniste, a także występuje w formach naciekowych, jako stalaktyty i stalagmity. Kalcyt wchodzi w skład osadowych skał wapiennych, które mogą być pochodzenia chemicznego oraz organicznego. Znajduje się on także w złożach żyłowych, które maja pochodzenie hydrotermalne. Minerał ten jest również podstawowym składnikiem marmurów. Kalcyt występuje w glebach, gdzie pełni bardzo ważną rolę i wpływa na właściwości gleb. Kalcyt zapobiega zakwaszeniu gleb i ma działanie strukturotwórcze.

Dolomit to sól podwójna o wzorze MgCO3 × CaCO3, zawierająca przeważnie niewielkie ilości żelaza, a czasami kobaltu, cynku, niklu. Minerał ten krystalizuje w układzie trygonalnym. Jest bezbarwny, szary lub biały. Dolomit to składnik skał noszących tę samą nazwę (dolomitów), oraz dolomitowych marmurów. Spotykany jest również w żyłowych utworach pochodzenia hydrotermalnego.

Syderyt zawiera około 48,3% żelaza i stanowi jego główną rudę. Minerał ten ma wzór FeCO3. Tworzy on skupienia zbite oraz drobnokrystaliczne i występuje w pęcherzach pogazowych skał wulkanicznych, skałach osadowych, żyłach mających pochodzenie hydrotermalne. Minerał ten może także tworzyć pokłady oraz konkrecje w utworach sedymentacyjnych i torfach.

Magnezyt jest składnikiem dolomitów, skał osadowych oraz tworzy żyły w zwietrzałych skałach serpentynitowych. Magnezyt ma wzór MgCO3 i tworzy przeważnie skupienia zbite lub gruboziarniste. Minerał ten wykorzystywany jest do produkcji materiałów ogniotrwałych, izolatorów elektrycznych, cementów . Znalazł także zastosowanie w przemyśle papierniczym.

Węglanami kwaśnymi, zwanymi wodorowęglanami, określamy sole kwasu węglowego, które posiadają anion HCO3-. Do najważniejszych przedstawicieli tej grupy związków zaliczane są: wodorowęglan amonu NH4HCO3 i wodorowęglan sodu NaHCO3. Do węglanów obojętnych zaliczany jest węglan wapnia CaCO3, który słabo rozpuszcza się w wodzie. Mianem węglany określane są także organiczne związki węgla, estry. Obojętne estry kwasu węglowego to bezbarwne ciecze o przyjemnym zapachu, które są wykorzystywane w syntezach organicznych. Natomiast wodorowęglany organiczne są nietrwałe i nie jest możliwe wyodrębnienie ich z roztworu. Istotna rolę odgrywają poliestry kwasu węglowego (poliwęglany), które są tworzywami termoplastycznymi.

Węgiel jest bardzo ważnym surowcem energetycznym. Wchodzi także w skład ogromnej liczby związków organicznych, które stanowią podstawę życia na Ziemi i stosowane są np. w przemyśle chemicznym. Jednym z izotopów węgla jest 14C. Izotop ten jest promieniotwórczy i powstaje w górnych warstwach atmosfery. Pełni on bardzo ważną rolę w badaniach biochemicznych, a także określaniu wieku przedmiotów (tzw. datowanie radiowęglowe). Węgiel wchodzi w skład ropy naftowej i gazu ziemnego.

Węgiel w stanie wzbudzonym ma konfigurację elektronową 1s22s12p3. Atom węgla w stanie wzbudzonym posiada cztery niesparowane elektrony na powłoce walencyjnej. Atom taki może utworzyć cztery trwałe wiązania kowalencyjne. Konfiguracja powłoki walencyjnej wskazuje na to, że orbital 2s posiada odmienną energię od trzech orbitali 2p, na których znajdują się trzy niesparowane elektrony. Reakcje chemiczne wskazują jednak na to, że wszystkie cztery wiązania, jakie tworzy atom węgla w połączeniach organicznych, posiadają identyczny charakter. Stosując uproszczenia, można to wyjaśnić wymieszaniem czterech orbitali powłoki walencyjnej atomów węgla, co powoduje uśrednienie ich energii i każdy z nich tworzy te same wiązania. Możemy więc stwierdzić, że podstawową właściwością atomu węgla jest zdolność tworzenia czterech równocennych wiązań. Kolejną ważną właściwością węgla jest możliwość tworzenia długich prostych i rozgałęzionych łańcuchów węglowych oraz pierścieni. Duża wartość energii wiązania kowalencyjnego pomiędzy atomami węgla wpływa na znaczną trwałość związków zawierających łańcuchy i pierścienie węglowe. Ponadto ważną cechą węgla jest możliwość tworzenia wiązań wielokrotnych pomiędzy atomami węgla (wiązań podwójnych i potrójnych).

Węgiel jest podstawowym składnikiem organizmów żywych i jednym z najważniejszych pierwiastków spotykanym w przyrodzie. Węgiel wydobywany jest już od bardzo długiego czasu, a w 1993 roku jego produkcja osiągnęła 3655 milionów ton. Całkowite wydobycie tego pierwiastka do roku 1980 szacuje się na 140 miliardów ton. 60% z ogólnej produkcji węgla jest spalana w elektrowniach, 25% znalazło zastosowanie w koksowniach, natomiast 15% bezpośrednio zużywane jest przez ludzi i przemysł. Pierwsza kopalnia węgla została wybudowana w 1113 roku na południu Niemczech (w Aachen). Metoda jaką wydobywa się węgiel jest zależna od głębokości na jakiej znajdują się złoża. spotykane są dwie podstawowe metody wydobycia: metoda głębinowa i metoda odkrywkowa. Metoda głębinowa polega na budowaniu podziemnych tuneli, które przecinają złoże. Wykorzystuje się ją w przypadku pokładów znajdujących się na znacznych głębokościach. Jeśli złoża znajdują się na niewielkiej głębokości wykorzystuje się metodę odkrywkową, która polega na stopniowym usuwaniu warstw pokrywających złoża węgla. Kopalnie, w których wykorzystuje się metodę odkrywkową są dużym zagrożeniem dla środowiska, ponieważ metoda ta powoduje nieodwracalne zmiany w terenie.

Węgiel w przyrodzie najczęściej występuje jako składnik tzw. węgli kopalnych. Węgle kopalne są skałami osadowymi pochodzenia roślinnego. Powstały one wiele milionów lat temu na skutek długotrwałego przeobrażania materii roślinnej. Powstawanie węgla kopalnego zachodziło bez dostępu powietrza i pod działaniem dużej temperatury i wysokiego ciśnienia. Poza węglem pierwiastkowym w skład węgli kopalnych wchodzi także siarka, azot, tlen i wodór, składniki mineralne (siarczki, krzemiany, węglany) oraz pierwiastki rzadkie (np. gal, wanad, arsen, uran, german). W węglach kopalnych można wyodrębnić podstawowe składniki, które maja jednakowe cechy morfologiczne, fizyczne i chemiczne i zwane są macerałami. Biorąc pod uwagę rodzaj materii roślinnej, z której powstał węgiel kopalny, wyróżniamy węgle humolitowe (humolity, powstałe z resztek flory lądowej, najbardziej rozpowszechnione i najważniejsze gospodarczo), węgle liptobiolitowe( liptobiolity, będące nagromadzeniem żywioczno-woskowych elementów roślin) oraz węgle sapropelowe (sapropelity, utworzone z flory wodnej, przede wszystkim glonów i spotykane w znacznie mniejszej ilości niż humolity).

Biorąc pod uwagę procentową zawartość pierwiastkowego węgla w węglach kopalnych, można je podzielić na: torf, węgiel kamienny, węgiel brunatny, antracyt i szungit.

Największą zawartość pierwiastkowego węgla wykazuje szungit. Ma on do 98% tego pierwiastka i jest najstarszym z węgli kopalnych. Spotyka się go w Rosji (okolice jeziora Onega), Kanadzie, Indiach i Szwecji. Znalazł on zastosowanie w przemyśle chemicznym.

Kolejną odmianą węgla kopalnego, która zawiera nawet do 96% węgla, jest antracyt. Stanowi on przede wszystkim surowiec energetyczny oraz służy do wyrobu elektrod. Spotykany jest głównie w osadach karbońskich, które były poddawane działaniu wysokiej temperatury i ciśnienia. Złoża antracytu spotykane są na Ukrainie, Chinach, USA, Czechach i wielkiej Brytanii.

Węgiel kamienny zawiera około do 92% pierwiastka węgla, a ponadto2,5-18% tlenu, 2,5-5,5% wodoru oraz wodę (około1-8%) i składniki mineralne. Jest on najbardziej rozpowszechnionym z węgli kopalnych i jest zwarty, czarny, kruchy i pali się on długim błyszczącym płomieniem. Węgiel kamienny powstał na skutek nagromadzenia i przeobrażenia szczątków roślinnych w dawnych okresach geologicznych (perm, karbon i okres trzeciorzędu). Proces był długotrwały i stanowił on wypadkową różnych procesów fizykochemicznych oraz reakcji chemicznych, które zachodziły za pośrednictwem grzybów, bakterii i enzymów. W przyrodzie spotykane są różne rodzaje węgla kamiennego. Są to węgiel chudy i węgiel płomienny, których używa się do wytwarzania generatorów, pieców domowych oraz pieców przemysłowych. Kolejną odmianą węgla kamiennego jest węgiel gazowo-płomienny, który znalazł zastosowanie w budowie pieców domowych i przemysłowcy, do uwodorniania i wytlewania. Węgla gazowo-koksowego i węgla gazowego używa się w koksownictwie i gazownictwie. Inną odmianę węgla kamiennego - węgiel ortokoksowy -wykorzystuje się z kolei w produkcji koksu metalurgicznego. Węgiel metakoksowy służy do produkcji koksu odlewniczego, a węgiel semikoksowy stosowany jest w koksownictwie jako dodatek schudzający wsad węglowy. Węgiel antracytowy jest składnikiem paliwa specjalnego.

Węgiel kamienny znalazł zastosowanie w bardzo wielu gałęziach przemysłu, jednak przede wszystkim stanowi on surowiec energetyczny, który wykorzystywany jest w elektrociepłowniach, elektrowniach węglowych oraz systemach ogrzewania. Jest on bardzo kaloryczny 5000-7500kcal/kg. Wykorzystuje się go także do otrzymywania koksu, gazów, smoły i benzyny. Znaczne ilości węgla kamiennego stosowane są w przemyśle do opalania pieców hutniczych. Bardzo duże znaczenie maja także produkty przetwarzania węgla kamiennego, które także stanowią ważne surowce energetyczne i są także wykorzystywane w przemyśle chemicznym

Węgiel kamienny wydobywany jest w kopalniach głębinowych. Nie wydostaje się sam na powierzchnie, ze względu na stały stan skupienia. Do złóż węgla prowadzą pionowe szyby, które umożliwiają zwożenie górników wraz z odpowiednim sprzętem bezpośrednio do pokładów węgla znajdujących się na znacznych głębokościach. W Polsce złoża węgla kamiennego znajdują się w Zagłębiu Dolnośląskim i Górnośląskim, a pokłady te obejmują węgle różnego rodzaju (znajdują się tam np. węgle energetyczne, które nadają się do generatorów, palenisk domowych i przemysłowych). W zagłębiu Górnośląskim grubość pokładów węgla kamiennego wynosi około 2 metrów i są położone prawie pionowo. Złoża znajdujące się w zagłębiu Dolnośląskim są cienkie, zawodnione i spotykane jest tam metan, dlatego wydobycie jest tam bardzo mało opłacalne. Najmłodszym zagłębiem w Polsce jest Zagłębie Lubelskie. Znajduje się tam tylko jedna kopalnia (w Bogdance), a złoża węgla znajdują się na dosyć dużych głębokościach. Poza tym warunki hydrogeologiczne są niekorzystne. Największe pokłady węgla kamiennego znajdują się na Ukrainie (przede wszystkim Zagłębie Donieckie), Federacji Rosyjskiej (między innymi Zagłębia Tunguskie, Leńskie, Peczorskie, Kuźnieckie), USA (stan Wirginia, Kentucky, Pensylwania, Ohio), Kanadzie, Chinach (zwłaszcza prowincja Shanxi), Niemcy ( zagłębia Saary i Ruhry), RPA (głównie w Transwal) oraz w Wielkiej Brytanii (zagłębie Durham, Derbyshire, Yorkshire). Wydobycie tego surowca maleje w ostatnim czasie. Jest to spowodowane wydobywaniem węgla na coraz większych głębokościach, likwidowaniem nierentownych i starych kopalń oraz zastosowaniem energooszczędnych maszyn i technologii. Węgiel kamienny do niedawna był podstawowym surowcem energetycznym, obecnie jego znaczenie jest o wiele mniejsze na rzecz energii jądrowej oraz gazu ziemnego.

Węgiel brunatny to kolejny rodzaj węgla kopalnego. Odmianami tego węgla są węgle twarde, węgle miękkie i węgle ksylitowe. W skład węgla brunatnego wchodzi 65-75% czystego węgla. Stanowi on surowiec energetyczny oraz służy do wytwarzania benzyny, smoły wylewnej, smarów i olejów opałowych. Jest tanim materiałem opałowym, ważnym surowcem chemicznym, który przerabia się w procesie zgazowania, wytlewania oraz uwodorniania węgla. Niektóre gatunki węgla brunatnego służą do otrzymywania wosku montanowego. Węgiel brunatny stosowany jest również w ogrodnictwie (jako podłoże oraz czynnik użyźniający glebę).

Złoża węgla brunatnego powstały w trzeciorzędzie. Jest on mało kaloryczny 2000kcal/kg. Zasoby węgla brunatnego Polsce występują w Zagłębiu Turoszowskim (Turoszów, Bogatynia), Zagłębiu Konińskim (Konin, Koło, Turek) oraz Zagłębiu Bełchatowskim. Węgiel ten wydobywa się metodą odkrywkową. Złoża węgla brunatnego znajdują się w Rosji (Zagłębie Podmoskiewskie, Zagłębie Kańsko- Aczyńskie), Niemczech ( Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Łużyckie Zagłębie Weglowe i Saskie Zagłębie Węglowe), USA, Australii (Latrobe), Kanadzie, Indiach i Czechach (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe).

Najmniejszą ilość pierwiastkowego węgla zawiera torf (do około 60%). Torf powstał z obumarłej roślinności torfowiskowej (bagiennej) w warunkach nadmiernej wilgotności i małym dostępie powietrza. Torf wykorzystywany jest w ogrodnictwie (wyrób doniczek torfowo-ziemnych), w rolnictwie (produkcja nawozów organicznych, ściółki torfowej), w leśnictwie oraz w przemyśle.

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych (odmiany tego samego pierwiastka, różniące się właściwościami chemicznymi, fizycznymi i budową krystaliczną lub ilością atomów w cząsteczce - np. tlen i ozon). Odmianami alotropowymi węgla są diament, grafit i fullereny.

Grafit jest czarno-szarym minerałem. Jest miękki, łupliwy, tłusty w dotyku. Grafit wykazuje duże przewodnictwo cieplne i elektryczne. Jest ponadto odporny na działanie wysokich temperatur. Jego gęstość wynosi 2,3g/cm3. może być także otrzymany sztucznie. Grafit znalazł zastosowanie do wyrobu ołówków, elektrod, retort, tuszów oraz stosowany jest w reaktorach jądrowych.

Diament to najtwardszy ze znanych minerałów. Czysty diament jest bezbarwny, a zanieczyszczeni powodują że przyjmuje on różne zabarwienia (żółte, zielone, fioletowe, brunatne, a nawet czarne). Ma on silny połysk i mocno załamuje światło. Diamenty występują przede wszystkim w Rosji, RPA, Brazylii, Namibii i Indiach. Można go otrzymać syntetycznie. Diamenty znalazły zastosowanie w jubilerstwie (oszlifowane diamenty to brylanty - najcenniejsze kamienie szlachetne). Ze względu na jego dużą twardość wykorzystuje się go w wiertnictwie, szlifowaniu i cięciu szła, skał, ceramiki, jako materiał ścierny.

Fullereny (fulereny) to trzecia odmiana alotropowa węgla. Ich nazwa pochodzi od nazwiska amerykańskiego konstruktora Richarda Buckminstera Fullera. Nie występują one w przyrodzie (przypuszcza się, że mogą występować w pyłach kosmicznych). Można je otrzymać na skutek odparowania grafitu w atmosferze gazu obojętnego albo w próżni. Fullereny są zbudowane z bardzo dużej ilości atomów węgla. Największa zaobserwowana cząsteczka ma 960 atomów węgla. Najczęściej spotykane fullereny mają 60 i 70 atomów węgla.

Na skutek suchej destylacji węgla (ogrzewanie bez dostępu powietrza w bardzo wysokiej temperaturze) można uzyskać wysokoenergetyczne paliwo, tzw. koks. Zawartość pierwiastkowego węgla w koksie wynosi nawet do 96%. Koks znalazł zastosowanie przede wszystkim w metalurgii oraz wykorzystywany jest także jako surowiec chemiczny. Zastosowanie znalazły także produkty uboczne suchej destylacji (woda pogazowa, smoła węglowa, gaz świetlny). Węgiel jest także składnikiem asfaltu, ropy naftowej oraz gazu ziemnego, które są mieszaninami ciekłych oraz stałych węglowodorów.