Węgiel to pierwiastek bardzo dobrze rozpowszechniony w przyrodzie, gdzie występuje w stanie wolnym oraz związanym. Spotykamy go zarówno w świecie mineralnym (głównie w postaci węglanów), jak i w organizmach żywych. Jest podstawowym składnikiem organizmów roślinnych i zwierzęcych. Występuje w atmosferze jako dwutlenek węgla, CO2, z którego w obecności wody, energii słonecznej i chlorofilu, rośliny wytwarzają skrobię i celulozę. Węgiel kopalny, który występuje w przyrodzie w kilku gatunkach (torf, antracyt, węgiel brunatny i węgiel kamienny) jest źródłem energii.
- węgle kopalne, ich własności i powstawanie w przyrodzie
Węgle kopalne są skałami osadowymi, które są mieszaninami różnorodnych związków organicznych (zawierających wodór, węgiel, azot, siarkę i tlen), substancji mineralnych (węglany, krzemiany) oraz niewielkie ilości rzadkich pierwiastków (np. wanadu, germanu, galu, arsenu, uranu). Węgle kopalne powstały z roślin, w różnych epokach geologicznych (najwięcej w permie i karbonie). W zależności od materii roślinnej, z której powstały, wyróżnia się: humolity (węgle humusowe), sapropelity (węgle sapropelowe) i liptobiolity (węgle liptobiolitowe). Najbardziej rozpowszechnionymi i najważniejszymi gospodarczo węglami są humolity. Powstały one na skutek przeobrażenia flory lądowej. Sapropelity utworzyły się ze szczątków flory wodnej (głównie glonów) i występują w mniejszych ilościach w przyrodzie. Natomiast liptobiolity pochodzą z nagromadzenia się żywiczno- woskowych elementów roślin.
Wyróżniamy dwie fazy powstawania węgli kopalnych: biochemiczną i geochemiczną. W pierwszej fazie materiał roślinny uległ rozkładowi, na skutek działania drobnoustrojów i wzbogacił się w węgiel. Natomiast faza geochemiczna polegała na zajściu reakcji chemicznych w przeobrażonym materiale roślinnym, usunięciu lotnych składników i koncentracji węgla. Wzbogacanie się masy roślinnej w węgiel (tzw. uwęglanie) zachodziło z różną intensywnością, co spowodowało powstanie różnych rodzajów węgla kamiennego.
W zależności od procentowej zawartości węgla, rozróżnia się następujące rodzaje węgla kopalnego: torf, węgiel kamienny, węgiel brunatny, antracyt oraz szungit. Torf jest skałą osadową, powstałą z roślin bagiennych i zawiera najmniejszą ilość pierwiastkowego węgla (ok.60%). Węgiel brunatny ma ok. 70% pierwiastka węgla, węgiel kamienny ok. 90%, natomiast antracyt do 96% . Największą ilość węgla pierwiastkowego (do 98%) posiada szungit.
Stosuje się dwie metody wydobywania węgla. Metoda głębinowa polega na budowie pionowego szybu, prowadzącego do złoża. Natomiast metoda odkrywkowa, która jest znacznie tańsza, polega na wydobyciu węgla ze złóż znajdujących się na niewielkich głębokościach.
- odmiany alotropowe węgla
Węgiel jest położony w 14 grupie układu okresowego (węglowce). W przyrodzie nieożywionej spotykany jest przede wszystkim pod postacią węglanów (syderyt FeCO3, kalcyt CaCO3,magnezyt MgCO3, dolomit MgCO3 × CaCO3) oraz dwutlenku węgla, który stanowi około 0.03% objętości powietrza, a ponadto jest rozpuszczony w wodzie. Pomimo tego, że stężenie dwutlenku węgla w naturalnych wodach i powietrzu nie jest duże, łączne jego ilości w przyrodzie są ogromne. CO2 biorąc udział w różnorodnych przemianach chemicznych i fizjologicznych tworzy w przyrodzie ustawiczny obieg.
Węgiel wolny występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach w dwóch odmianach alotropowych, jako grafit i diament. Alotropia polega na występowaniu jednego pierwiastka w dwóch lub więcej odmianach, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe mogą mieć różną budowę krystaliczną (diament i grafit) lub różne ilości atomów w cząsteczce (np. tlen jako O2 i O3- ozon).
Czysty diament tworzy przezroczyste bezbarwne kryształy. Jest najtwardszym z minerałów, który nie przewodzi prądu elektrycznego i silnie łamie światło. Diament zawierający zanieczyszczenia może być zabarwiony na czerwono, żółto, fioletowo, niebiesko lub brunatno. Spotykane są także czarne diamenty. Oszlifowane diamenty to tzw. brylanty, które są uważane za najładniejsze kamienie szlachetne. Diamenty, które mogłyby być stosowane w jubilerstwie spotykane są raczej rzadko, a znaczna część wydobywanego minerału używana jest do innych celów: do obróbki ceramiki, skał i szkła, szlifowania, jako materiał ścierny oraz w wiertnictwie.
Ogrzewanie diamentu bez dostępu powietrza prowadzi do otrzymania grafitu. Przemiana odwrotna napotyka natomiast wiele trudności i udało się ją zrealizować dopiero w 1955 roku przez amerykańskich uczonych.
Diament jest mało aktywny nawet w wysokiej temperaturze. W powietrzu ulega powolnemu spalaniu w temperaturze powyżej 1100K. Nie reaguje z kwasami i zasadami.
Druga odmianą alotropową węgla, która również występuje w postaci minerału, jest grafit. Jest to miękkie, łupliwe, czarno-szare, tłuste w dotyku ciało stałe. Grafit dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Ponieważ wykazuje on wysoka odporność na temperaturę, stosowany jest do produkcji tygli do topienia metali. Używany jest do wyrobu elektrod, ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne. Znalazł również zastosowanie jako grafit w ołówkach, smar oraz moderator w reakcjach jądrowych.
Inną odmianą alotropową węgla, która nie jest spotykana w przyrodzie, są fulereny. Są one zbudowane z parzystej ilości atomów węgla (najczęściej cząsteczki zawierają 60 i 70 atomów C). Mają one właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe.
