Węgiel (C, łac. carboneum), to pierwiastek chemiczny należący do grupy IV układu okresowego, o L.A. równej 6 i masie atomowej 12,01. Jest to najczęściej występujący w przyrodzie pierwiastek, ciało stałe niemetaliczne, charakteryzuje się temperaturą sublimacji 3653ºC - przechodzi w stan gazowy bez topnienia. Jest nieaktywny chemicznie w temperaturach zbliżonych do pokojowej - nie rozpuszcza się w wodzie, kwasach ani zasadach..

Węgiel jest głównym składnikiem budulcowym wszystkich organizmów żywych, zarówno roślin jak i zwierząt. Jego związki są również głównym składnikiem odżywczym dla człowieka.

Węgiel jest najważniejszym surowcem wydobywczym - historia jego wydobycia sięga roku 1113, kiedy w Aachen w dzisiejszych południowych Niemczech powstała pierwsza kopalnia węgla. Do roku 1980 łączne wydobycie węgla szacuje się na ponad 140 mld ton, a w samym 1993 roku wydobyto 3655 mln ton węgla. 60% światowej produkcji węgla zużywa się w elektrowniach, 25% przetwarza na koks, 15% zużywa bezpośrednio przemysł i gospodarstwa domowe. Węgiel wydobywa się różnymi metodami, w zależności od tego jak głęboko pod ziemią znajdują się jego złoża. W kopalniach podziemnych buduje się sieć tuneli przecinających złoże, dochodzących nawet do ponad 1000 m pod ziemię. Najgłębsza kopalnia znajduje się w RPA - ponad 3500 m głębokości. W przypadku złóż węgla znajdujących się blisko powierzchni, stosuje się metodę odkrywkową, polegającą na usuwaniu wierzchnich warstw pokrywających złoże. Metody odkrywkowe powodują ogromne i nieodwracalne zmiany w środowisku naturalnym, dlatego coraz bardziej ogranicza się ich stosowanie.

Węgiel kopalny

Najczęściej spotykany w przyrodzie węgiel - węgiel kopalny - to skała osadowa zbudowana z różnych związków organicznych pochodzenia roślinnego oraz produkt zwęglenia substancji organicznych, głównie drewna, bez dostępu powietrza. W pokładach węgla znajdują się także inne pierwiastki: wodór, tlen, siarka i azot, jednak ich ilość jest tym mniejsza, im starsze są złoża węgla kopalnego. Najstarsze złoża zawierają najwięcej węgla.

Pokłady węgla kopalnego, ze względu na ich pochodzenie, dzielimy na:

  • humolity (węgle humusowe) - powstałe na terenach torfowisk ze szczątków roślin lądowych;
  • sapropelity (węgle sapropelowe) - powstałe z roślin morskich (glonów;
  • liptobiolity (węgle liptobiolitowe) - powstałe ze związków żywicznych roślin.

Ze względu na zawartość węgla, wyróżniamy:

  • sztungit - 98,2% węgla, najstarszy węgiel kopalny, stosowany w przemyśle chemicznym. Występuje w Rosji (okolice jeziora Onega), Szwecji, Kanadzie i Indiach;
  • antracyt - 94 - 96% węgla, stosowany jako surowiec energetyczny i do wyrobu elektrod;
  • węgiel kamienny - 78 - 92% węgla, 2,5 - 5,5% H, 2,5 - 18% O oraz 1 - 8% H2O;
  • węgiel brunatny - 65 - 75% węgla;
  • torf - poniżej 60% węgla.

Z wymienionych rodzajów węgla kopalnego, najczęściej występującym jest węgiel kamienny. Jest to węgiel powstały z martwych szczątków roślin, poddanych złożonym przemianom biochemicznym, geofizycznym i geochemicznym w okresach Karbonu, Permu i Trzeciorzędu. Rozkład szczątków roślinnych odbywa się przy udziale bakterii, grzybów i enzymów i jest złożonym procesem fizykochemicznym. W zależności od przebiegu tego procesu zmienia się skład petrograficzny węgla. Wyróżnia się trzy rodzaje skał węglowych: węgiel błyszczący, półbłyszczący, matowy i włóknisty.

Węgiel kamienny występuje w wielu odmianach: węgiel płomienny, węgiel chudy (budowa pieców przemysłowych, generatorów i pieców domowych), węgiel gazowo - płomienny (piece przemysłowe i domowe, wytlewanie, uwodornianie), węgiel gazowy, węgiel koksowo - gazowy (gazownictwo, koksownictwo), węgiel metakoksowy (koks odlewniczy), węgiel semikoksowy (dodatek schudzający wsad węglowy w koksownictwie), węgiel antracytowy (paliwa specjalne). Węgiel kamienny stosuje się do otrzymywania koksu, smoły, benzyny i gazów.

Węgiel kamienny nie wydostaje się samoczynnie na powierzchnię ziemi w postaci stałej. Pokłady węgla kamiennego znajdują się głęboko pod ziemią, dlatego wydobywa się go metodą głębinową. Największe złoża znajdują się w Rosji: zagłębia Leńskie, Tunguskie, Kuźnieńskie, Peczorskie; na Ukrainie: Zagłębie Donieckie; w USA: Virginia, Pennsylwania, Ohio, Kentucky; w Kanadzie: Alberta; w Niemczech: zagłębia Ruhry i Saar; w Chinach: prowincja Shanxi; w RPA: Transwal; w Wielkiej Brytanii: Yorkshire, Derbyshire, Durham; w Indiach: dorzecze rzeki Damodar; Australia: Nowa Pd. Walia, Queensland. W Polsce węgiel kamienny występuje głównie w dwóch zagłębiach: Górnośląskim i Dolnośląskim. Znajdują się tam różne rodzaje węgla kamiennego, głównie węgle energetyczne. W Zagłębiu Górnośląskim pokłady węgla mają do 2 metrów grubości, ułożone są poziomo i składają się głównie z węgla koksującego. W Zagłębiu Dolnośląskim pokłady są bardzo cienkie, zawierają dużo wody i metanu. Dlatego wydobycie tam jest nieopłacalne. Węgiel wydobywany jest także w Zagłębiu Lubelskim - jest tam jedna czynna kopalnia Bogdanka. W tym zagłębiu pokłady węgla zalegają bardzo głęboko, a wydobycie utrudniają niekorzystne warunki hydrogeologiczne.

Węgiel kamienny jest bardzo ważnym surowcem energetycznym, wykorzystywanym bezpośrednio jako paliwo lub po przeróbkach chemicznych. Jest także istotnym surowcem przemysłu chemicznego. Ze względu na dużą kaloryczność (5000 - 7500 kcal/kg), jest stosowany jako paliwo w elektrowniach węglowych, elektrociepłowniach, w systemach ogrzewania, do opalania pieców hutniczych i in. Jeszcze niedawno był to podstawowy surowiec energetyczny. Obecnie, ze względów ekologicznych, zastępuje się go gazem ziemnym, energią jądrową oraz źródłami odnawialnymi. Zmniejszenie zużycia oraz trudności wydobywcze (konieczność wydobywania na coraz większych głębokościach) spowodowało w latach 90. zamknięcie wielu kopalń węgla kamiennego.

Kolejnym, bardzo ważnym rodzajem węgla kopalnego jest węgiel brunatny. Podobnie jak węgiel kamienny, jest stosowany jako paliwo (tani materiał opałowy), oraz jako surowiec w produkcji smoły wylewnej, benzyny, olejów opałowych i smarów. Jest też stosowany w przemyśle chemicznym, gdzie przetwarza się go w procesach wytlewania, zgazowania i uwodorniania węgla. Niektóre gatunki węgla służą również do ekstrakcji tzw. wosku montanowego, jako podłoża w ogrodnictwie oraz jako czynnik użyźniający glebę. Występuje w kilku rodzajach: ksylitowy, miękki, twardy. Węgiel brunatny jest znacznie młodszy, powstał w trzeciorzędzie, jest znacznie mniej kaloryczny niż węgiel kamienny (2000 kcal/kg). Zawiera dużo siarki, jego spalanie powoduje zanieczyszczenie atmosfery i powstawanie kwaśnych deszczy. Pokłady węgla brunatnego znajdują się płytko pod ziemią, dlatego jest on wydobywany metodą odkrywkową. Największe kopalnie węgla brunatnego znajdują się w Niemczech: Saskie Zagłębie Węglowe, Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Łużyckie Zagłębie Węglowe; w Rosji: Zagłębie Kańsko - Aczyńskie, Zagłębie Podmoskiewskie; w Czechach: Północnoczeskie Zagłębie Węglowe; w USA, Kanadzie Australii: Latrobe oraz w Indiach. W Polsce olbrzymie pokłady znajdują się pomiędzy Wartą i górnym biegiem Nysy - są szacowane na wiele miliardów ton. Głównie wydobywany jest w Zagłębiu Konińskim: Konin, Turek , Koło, w Zagłębiu Turoszowskim: Bogatynia, Turoszów oraz w Zagłębiu Bełchatowskim.

Torf - pokłady o najmniejszej zawartości węgla - jest produktem rozkładu roślin w warunkach nadmiernej obecności wody. Używa się go jako jako paliwo oraz w ogrodnictwie i leśnictwie jako kompost.

Z węgla można otrzymywać, w procesie suchej destylacji, koks - wysokoenergetyczne paliwo, o zawartości węgla do 96%. Sucha destylacja (odgazowanie) to proces ogrzewania węgla bez dostępu powietrza w temperaturze 900 - 1300ºC (koksowanie) lub 500 - 600ºC (wytlewanie). Produktami tego procesu jest koks oraz półkoks, a także wiele ciekłych (smoła węglowa, woda pogazowa) i gazowych (gaz węglowy, koksowniczy) produktów ubocznych. Koks stosuje się w metalurgii, jako paliwo, do wytwarzania karbidu oraz jako surowiec chemiczny.

Odmiany alotropowe węgla

Węgiel charakteryzuje się alotropią - występowaniem w stanie czystym w kilku odmianach, różniących się strukturą krystaliczną i właściwościami. Najczęściej spotykaną odmianą węgla jest grafit - czarny lub szary minerał, głównie w postaci łupek, miękki, mało aktywny chemicznie, przewodzący prąd. Grafit łatwo jest otrzymać syntetycznie, jest on szeroko stosowany do produkcji ołówków, tuszu, elektrod grafitowych oraz w reaktorach jądrowych.

Znacznie rzadziej spotykaną, jadnak również występującą w naturze odmianą węgla, jest diament - najtwardszy ze znanych materiałów i jednocześnie, ze względu na swoje cechy estetyczne, najcenniejszy. Diament charakteryzuje się silnym połyskiem, bardzo mocnym załamywaniem światła oraz najczęściej brakiem barwy (czasem jest żółtawy lub niebieskawy). Naturalnie diamenty występują głównie w Rosji, RPA, Indiach, Brazylii oraz Namibii. Możliwe jest również syntetyczne otrzymanie diamentu z węgla przez ogrzanie do temperatury około 3000ºC przy ciśnieniu 10000 atm. Główne zastosowanie diamentów to jubilerstwo oraz przemysł.

Ostatnią, odkrytą dopiero pod koniec lat 80. odmianą alotropową węgla, są fulereny i nanorurki. Odmiany te nie występują naturalnie w przyrodzie, ich otrzymywanie jest bardzo trudne, zazwyczaj otrzymuje się je przez odparowanie węgla w próżni lub gazie obojętnym. Fulereny mają strukturę zamkniętych brył, podobnych do piłki futbolowej. Wielkość piłki zależna jest od ilości atomów węgla. Najbardziej znana, i odkryta jako pierwsza, cząsteczka C60, ma strukturę identyczną jak piłka futbolowa - składa się z 12 pięciokątów, z których każdy otoczony jest pięcioma sześciokątami. Największą jak do tej pory zaobserwowaną cząsteczką fulerenu jest C960.

Związki chemiczne węgla

Węgiel, oprócz występowania w postaci złóż kopalnych, jest składnikiem ogromnej ilości związków chemicznych. Właśnie ze względu na swoje związki chemiczne, węgiel jest tak ważnym pierwiastkiem. Jest on najważniejszym pierwiastkiem biogennym - składnikiem wszystkich tkanek organizmów żywych, występuje w produktach przemiany i rozkładu substancji organicznych, jest również składnikiem atmosfery i hydrosfery w postaci dwutlenku CO2 oraz tlenku CO - trującego gazu, powstającego w reakcji niecałkowitego spalania węglowodorów, np. gazu ziemnego i benzyny, oraz węgla.

Węgiel w postaci organicznej jest głównym składnikiem asfaltu i ropy naftowej - mieszanin stałych i ciekłych węglowodorów. Gaz ziemny, jeden z głównych surowców energetycznych, składa się również z węglowodorów. Węgiel w postaci nieorganicznej (węglany) jest składnikiem powszechnych minerałów minerałów: kredy, marmuru, dolomitu, wapniaków i wielu innych.

Jak już wspomniano, węgiel tworzy bardzo dużo związków, pomimo, iż jest bardzo mało aktywny chemicznie. Występuje na +II, +IV oraz -IV stopniu utlenienia. W stanie podstawowym węgiel ma konfigurację elektronową [He]2s22p2, natomiast w stanie wzbudzonym, w konfiguracji [He]2s12p3, ma 4 niesparowane elektrony, obsadzające pojedynczo wszystkie orbitale powłoki L. Umożliwia to węglowi utworzenie czterech wiązań kowalencyjnych. Ponieważ orbital 2s ma niższą energię niż zdegenerowane orbitale 2p, powinien tworzyć inne wiązanie niż orbitale 2p. Jednak, jak wykazują badania, wszystkie wiązania węgla mają jednakową energię dysocjacji i mają jednakowy charakter. Jest to efekt tzw. hybrydyzacji orbitali - orbital 2s oraz trzy orbitale 2px, 2py i 2pz mieszają się, tworząc cztery zhybrydyzowane orbitale sp3, o jednakowej energii. Węgiel może więc tworzyć cztery równocenne wiązania kowalencyjne. Ze względu na dużą energię wiązania C - C, węgiel tworzy bardzo trwałe związki zawierające wiele atomów węgla połączonych ze sobą. Takie łańcuchy węgla stanowią podstawę całej chemii organicznej. Łańcuchy węglowe mogą być proste lub rozgałęzione, mogą się też zamykać tworząc pierścienie.

W temperaturze pokojowej węgiel bardzo powoli łączy się z tlenem, jednak ze wzrostem temperatury reakcja ta zaczyna przebiegać coraz szybciej. Całkowite spalanie węgla, przy pełnym dostępie tlenu, prowadzi do powstania dwutlenku węgla CO2, natomiast niecałkowite spalanie, przy ograniczonej ilości tlenu, do powstania tlenku CO. Węgiel jest dobrym reduktorem, umożliwia otrzymanie wielu metali w stanie czystym przez ogrzewanie ich tlenków w obecności węgla. Węgiel w bardzo wysokich temperaturach może również łączyć się z niektórymi metalami, tworząc substancje krystaliczne - węgliki. Otrzymuje się je przez bezpośrednią syntezę z czystych pierwiastków lub przez redukcję tlenków węgla w wysokich temperaturach. Węgliki litowców, berylowców i borowców, pod wpływem wody i kwasów, rozpadają się, z utworzeniem odpowiedniego węglowodoru, np. karbid CaC2 w wodzie rozpada się tworząc acetylen C2H2:

CaC2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + C2H2

Wiele węglików, zwłaszcza węgliki niektórych metali przejściowych oraz węgliki boru i krzemu, odznaczają się wyjątkowymi właściwościami fizycznymi, np. dużą twardością, wysoką temperaturą topnienia, odpornością na korozję. Dzięki temu są stosowane w przemyśle jako narzędzia do obróbki stali, jako materiały ogniotrwałe, materiały ścierne, elementy grzejne do pieców elektrycznych oraz reduktory.

W reakcji dwutlenku węgla z wodą powstaje nietrwały kwas węglowy H2CO3:

CO2 + H2O ® H2CO3

Jest to słaby kwas, dwuzasadowy, w procesie zagęszczania ulega rozpadowi, przez co nie można go otrzymać w stanie czystym. Bezwodnik kwasu węglowego reaguje z zasadami tworząc sole. Pochodne kwasu węglowego to węglany obojętne i węglany kwaśne (wodorowęglany), sole organiczne oraz estry kwasu węglowego. Węglany, bardzo ważna i liczna grupa minerałów, są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie i stanowią źródło ważnych metali, takich jak magnez, żelazo, wapń, cynk, mangan, ołów i miedź. Węglany czasem towarzyszą również złożom czystych minerałów. Węglany, podczas ogrzewania, rozkładają się z wydzieleniem CO2. Do najważniejszych węglanów obojętnych zaliczamy:

  • kalcyt - minerał skałotwórczy, główny składnik osadowych skał wapiennych, tworzący wiele form: ziarnistą, zbitą, włóknistą oraz naciekowe - stalaktyty i stalagmity. Jest również głównym składnikiem marmurów. Kalcyt jest obecny w złożach żyłowych hydrotermalnych, zawarty w glebie przeciwdziała jej zakwaszaniu i działa strukturotwórczo. W klimacie wilgotnym kalcyt jest wypłukiwany w głąb gleby, ze względu na dobrą rozpuszczalność węglanu w wodzie. W klimacie suchym duże ilości kalcytu gromadzą się w górnych poziomach gleby. Kalcyt może być pochodzenia zarówno organicznego, jak i nieorganicznego;
  • dolomit - podwójna sól o wzorze MgCO3×CaCO3. W naturze zawsze zawiera domieszki innych metali, takich jak żelazo, cynk, nikiel i kobalt. Dolomit tworzy skały o tej samej nazwie - dolomity, oraz skały metamorficzne - marmury dolomitowe. Oprócz występowania w formach skalnych, znajduje się również w żyłowych złożach hydrotermalnych;
  • syderyt - to jedna z rud żelaza, o zawartości Fe około 48,3%, tworząca drobnokrystaliczne skupiska. Głównymi źródłami syderytu są skały osadowe, pęcherze pogazowe skał pochodzenia wulkanicznego oraz żyły hydrotermalne. Czasem tworzą się pokłady syderytu w torfach i utworach sedymentacyjnych;
  • magnezyt - jest to związek występujący głównie w skałach osadowych i dolomitach. Żyły magnezytu występują także w zwietrzałych skałach serpentynitowych. Magnezyt znalazł wiele zastosowań przemysłowych, między innymi w przemyśle papierniczym. Po wypaleniu jest stosowany w produkcji materiałów ogniotrwałych, cementów i izolatorów elektrycznych.

Najważniejsze węglany kwaśne - wodorowęglany - to:

  • wodorowęglan sodu, NaHCO3;
  • wodorowęglan amonu, NH4HCO3.

Inna grupa pochodnych kwasu węglowego, estry, to ciecze o przyjemnym zapachu. Stosowane są zazwyczaj w syntezie organicznej. Poliestry kwasu węglowego - poliwęglany - to szeroko stosowane tworzywa termoplastyczne.

Podsumowując, można powiedzieć iż węgiel jest jednym z najważniejszych pierwiastków, budujących wszystkie organizmy żywe, oraz wciąż stanowiącym podstawę gospodarki przemysłowej człowieka. Jest zawarty praktycznie wszędzie, od głębokich złóż podziemnych przez glebę, wodę, organizmy żywe aż do atmosfery. Bez węgla nie było by życia na ziemi.