Węgiel (łac. carboneum) jest pierwiastkiem bardzo szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie, gdzie występuje w stanie wolnym oraz w postaci związków chemicznych. Spotykany jest w litosferze, atmosferze i hydrosferze. W świecie mineralnym występuje przede wszystkim w postaci węglanów. Jest on także podstawowym składnikiem wszystkich tkanek roślinnych i zwierzęcych. Związkami węgla zarówno naturalnymi, jak i otrzymanymi sztucznie zajmuje się chemia organiczna.

Węgiel leży w czternastej grupie układu okresowego. Jego liczba atomowa wynosi 6, natomiast masa atomowa jest równa 12,01. Jest on niemetalem, który występuje w trzech odmianach alotropowych (odmiany tego samego pierwiastka, posiadające różne właściwości chemiczne, różną liczbę atomów w cząsteczce lub odmienną budowę krystaliczną). Odmianami alotropowymi węgla są grafit, diament i fullereny. Diament i grafit występują w przyrodzie w postaci minerałów.

Węgiel jest niemetalem, który rozpuszcza się jedynie w kilku stopionych metalach np. niklu, kobalcie, żelazie i platynie. W związkach chemicznych pierwiastek ten występuje na II, IV i -IV stopniu utlenienia. Węgiel jest środkiem redukującym, który służy do otrzymywania z rud czystych metali, np. miedzi, żelaza, cynku.

  • Węgle kopalne

Węgle kopalne występują w przyrodzie w kilku gatunkach, np. jako węgiel kamienny, węgiel brunatny, szungit, antracyt i torf. Nie są one czystym węglem, lecz zawierają one mieszaninę różnych związków chemicznych węgla oraz przypadkowe domieszki, którymi są np. piasek, glina lub piryt.

Węgle kopalne są skałami osadowymi, które powstały w dawnych epokach geologicznych z roślin wtedy rosnących. Największe złoża węgla kopalnego powstały w permie i karbonie. W karbonie węgle kopalne powstały z widłaków, paproci i skrzypów, natomiast materiałem roślinnym, z którego uformowały się złoża węgla w permie były rośliny okrytozalążkowe (topole, sekwoje). Proces powstawania węgla kopalnego można podzielić na dwie fazy. Pierwsza z nich, faza biochemiczna, polega na rozkładaniu się materii roślinnej, pod wpływem działania drobnoustrojów i wzbogaca się ona w węgiel pierwiastkowy. Druga faza geochemiczna polega na działaniu na przykrytą skałami osadowymi przeobrażoną materię organiczną odpowiedniej temperatury i ciśnienia. Dochodzi wówczas do usunięcia gazowych składników i koncentracji węgla. Ponieważ uwęglanie zachodziło w różnych warunkach i z różną intensywnością, doszło do powstania odmiennych rodzajów węgla kopalnego. Proces powstawania złóż węgla kopalnego był bardzo długotrwałym procesem. Oszacowano, że powstanie warstwy o grubości jednego metra potrzeba 1200 lat akumulowania się materiału roślinnego.

Do węgli kopalnych zaliczany jest: torf (o najmniejszej zawartości węgla, około 60%), węgiel brunatny (zawierający około 62-75% pierwiastka węgla), węgiel kamienny (posiadający około 88% węgla), antracyt (o dużej zawartości, wynoszącej nawet 96%) i szungit (99% szungitu stanowi węgiel).

Węgiel kamienny przyczynił się do zapoczątkowania produkcji energii na wielką skalę, a co za tym idzie rewolucji przemysłowej. Kaloryczność węgla kamiennego wynosi 5000-7500 kcal/kg i zależy od zawartości pierwiastkowego węgla. Większość złóż węgla kamiennego znajduje się na półkuli północnej, a zasoby tego rodzaju węgla kopalnego szacowane są na kilka bilionów ton. Największe eksploatowane pokłady węgla kamiennego znajdują się w USA, Chinach, Rosji, Australii, RPA i Indiach. W drugiej połowie XX wieku kraje wysoko rozwinięte zastąpiły węgiel kamienny innymi źródłami energii, takimi jak gaz ziemny, ropa naftowa oraz alternatywne źródła energii. Są one tańsze, a ponadto ich spalanie jest mniej szkodliwe dla środowiska. Węgiel kamienny stosowany jest przede wszystkim w przemyśle energetycznym. Wykorzystywany jest także w produkcji pestycydów oraz kosmetyków. Z produktów powstałych na skutek przetworzenia węgla kamiennego produkuje się leki, rozpuszczalniki, materiały wybuchowe, aromaty do ciast, środki pielęgnacyjne i tłuszcze.

Sucha destylacja węgla (piroliza, pirogenizacja) jest procesem polegającym na termicznym rozkładzie substancji, zachodzącym w bardzo wysokiej temperaturze i bez dostępu powietrza. Piroliza węgla kamiennego prowadzi do powstania koksu, smoły pogazowej wody pogazowej i gazu świetlnego (koksowniczego).

Koks jest to porowate czarne ciało stałe. Składa się on przede wszystkim z węgla, a ponadto zawiera pewne ilości siarki, wody, składników mineralnych, a także niewielkie ilości fosforu i substancji gazowych. Koks jest paliwem o większej kaloryczności od węgla kopalnego. Zawiera mniejszą ilość siarki niż węgiel kamienny, dlatego jest on bardzie przyjazny dla środowiska. Koks znalazł zastosowanie przede wszystkim w hutnictwie oraz jako opał w kotłach grzewczych (zarówno w kotłowniach jak i gospodarstwach indywidualnych i warsztatach).

Gaz świetlny (gaz koksowniczy) jest mieszaniną azotu, tlenu, wodoru, dwutlenku węgla, amoniaku oraz węglowodorów (nasyconych, nienasyconych i aromatycznych). Wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym oraz jako paliwo

Smoła pogazowa jest czarną, mazistą cieczą o intensywnym zapachu. W jej skład wchodzi między innymi benzen i jego pochodne, naftalen oraz inne związki organiczne. Destylacja frakcyjna smoły pogazowej powoduje powstanie około czterdziestu związków chemicznych, stąd zastosowanie jej jako surowca w przemyśle chemicznym.

Woda pogazowa jest przerabiana przede wszystkim na nawozy azotowe.

Węgiel brunatny jest o wiele mniej kaloryczny od węgla kamiennego (1500-3000 kcal/kg). Najczęściej stosuje się go w elektrowniach i to przeważnie w miejscu jego wydobycia, ponieważ ze względu na dużą ilość wody oraz jego kruchość transport jest nieopłacalny. Złoża węgla brunatnego znajdują się w Rosji, Niemczech, Czechach, Grecji, USA, Bułgarii, Polsce i Słowenii.

Największą ilość pierwiastkowego węgla ma szungit. Jest on czarny, błyszczący i odporny na działanie czynników chemicznych. Występuje on w Rosji, Kanadzie, Szwecji oraz Indiach. Wykorzystuje się go w budownictwie i przemyśle chemicznym.

Antracyt jest czarny (często z szarym odcieniem). Używa się go do produkcji elektrod. Stanowi także wysokogatunkowe paliwo, ponieważ nie pozostawia popiołu i nie ulega on spiekaniu. Główne złoża występują w Rosji, Chinach, na Ukrainie, USA, Wielkiej Brytanii, Czechach i Polsce.

Torf jest ciemnobrunatny. Najczęściej spotykany jest na dnie różnych bagien. Stosuje się go jako materiał opałowy, materiał izolacyjny, w ogrodnictwie, lecznictwie oraz budownictwie.

  • Ropa naftowa i gaz ziemny

Jedna z teorii dotyczących powstania ropy naftowej, mówi że powstała ona ze związków nieorganicznych na skutek przemian zachodzących w jądrze Ziemi. Jednak większość naukowców jest zdania, że jest to substancja pochodzenia organicznego, która powstała miliony lat temu. Większa część złóż ropy naftowej, znajdująca się w środkowej oraz północnej części Morza Północnego powstała z bakterii oraz glonów, które zostały przykryte iłem oraz mułem na dnie morskim w okresie jury (144-213 milionów lat temu).Ten przykryty mułem materiał organiczny ulegał stopniowemu rozkładowi i na skutek działania dużego ciśnienia i wysokiej temperatury powstawała z niego ropa naftowa. Gaz ziemny i ropa naftowa występują w skałach osadowych, przede wszystkim piaskowcach, w których szczeliny oraz porowatości mogą być wypełnione właśnie gazem i ropą. Gaz ziemny oraz ropa naftowa mogą powstać tylko wtedy, gdy skała nieprzepuszczalna jest przykryta warstwą skał przepuszczalnych. Wówczas ropa może się gromadzić w strukturach zwanych pułapkami.

Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów (alkanów, cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych). W jej skład wchodzą także związki organiczne i składniki mineralne. Ropa naftowa ma żółto brunatną, czarną lub zielonkawą barwę. W celu wyodrębnienia z niej składników stosuje się destylację frakcjonowaną, która wykorzystuje różnice w temperaturach wrzenia składników ropy naftowej. W światowym wydobyciu tego surowca przodują: Rosja, Arabia Saudyjska, USA, Chiny, Iran i Meksyk. Złoża ropy naftowej i gazu ziemnego przeważnie występują razem. Ropa naftowa jest podstawowym surowcem stosowanym w przemyśle petrochemicznym. Otrzymuje się z niej benzyny, smary, oleje, naftę, wazelinę i asfalt. W starożytności ropa naftowa była używana do balsamowania zwłok, do wyrobu lekarstw oraz wytwarzania płonących strzał. Wydobywano ją z płytkich otworów albo zbierano z powierzchni, w miejscu jej naturalnego wypływu.

Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów oraz różnych ilości dwutlenku węgla, azotu, gazów szlachetnych i siarkowodoru. Powstaje on na skutek podobnych procesów co ropa naftowa i występuje przede wszystkich w porowatych piaskowcach, dolomitach, wapieniach i piaskach. Można go spotkać również w szczelinach skał magmowych. Gaz ziemny jest wykorzystywany jako paliwo oraz źródło energii (w gospodarstwach domowych, do podgrzewania wody oraz ocieplania domów i gotowania), a także do produkcji gazu syntezowego i sadzy. W Polsce gaz ziemny spotykany jest na Pomorzu Zachodnim, w Wielkopolsce oraz na Podkarpaciu. Złoża gazu ziemnego mogą występować oddzielnie, a także razem ze złożami węgla kamiennego lub ropy naftowej. Najwięcej gazu ziemnego w Europie Północnej produkuje Norwegia, która wydobywa go z pokładów znajdujących się na Morzu Norweskim i Morzu Północnym. Duże ilości tego surowca wydobywane są także w Rosji, Kanadzie, USA, Algierii, Uzbekistanie, Meksyku. Głównymi zaletami gazu ziemnego jest łatwy transport, proste sterowanie i automatyzacja procesu spalania i możliwość osiągnięcia wysokich wskaźników sprawności energetycznej jeśli porównamy z urządzeniami, które zasilane są innymi rodzajami paliw.