Występowanie

Węgiel ( Rys. 1 ) występuje w przyrodzie przede wszystkim w postaci tlenku węgla (IV) CO2 (0,03 \( \% \) objętościowych powietrza). W litosferze można go znaleźć pod postacią węglanów takich, jak: \( CaCO_3 \) (wapień, marmur, kreda), magnezyt \( MgCO_3 \), dolomit \( CaCO_3·MgCO_3 \), czy syderyt \( FeCO_3 \). Jednakże przede wszystkim węgiel jest głównym budulcem całej materii ożywionej oraz w złożach pochodzenia biologicznego: węgiel kamienny, ropa naftowa, gaz ziemny. W stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach w postaci grafitu i diamentu.

Właściwości fizyczne

Węgiel znany jest od starożytności. Prawie do końca XX wieku znane były jego dwie podstawowe odmiany alotropowe: grafit i diament.

Grafit jest zbudowany z płaszczyzn składających się z połączonych ze sobą pierścieni benzenowych. Ponieważ w benzenie występują zdelokalizowane elektrony, mogą one przemieszczać się po całej płaszczyźnie grafitu – z czego wynika zjawisko przewodzenia prądu elektrycznego. Płaszczyzny połączonych pierścieni benzenowych są od siebie odsunięte, mogą się względem siebie przesuwać co sprawia, że grafit jest kruchy.

Diament ma budowę przestrzenną, zbudowany jest z połączonych ze sobą pierścieni cykloheksanu o strukturze krzesełkowej, co sprawia, że jest jedną z najtwardszych, znanych nam substancji. Brak wolnych elektronów, które mogłyby być nośnikami ładunku, powoduje, że diament jest izolatorem – nie przewodzi prądu. Rys. 2 i Rys. 3 przedstawiają struktury benzenu, cykloheksanu oraz modele kulkowe grafitu i diamentu.

W roku 1985 odkryto nową przestrzenną odmianę alotropową węgla – fuleren, przestrzenną bryłę składającą się 60 atomów węgla [1]. Niedługo później odkryto nanorurki węglowe oraz nanorurki wielościenne – podłużne struktury o bardzo interesujących właściwościach [2]. Wiek XXI to cała seria odkryć nowych form węgla. W roku 2004 stwierdzono, że pojedyncza warstwa grafitu – grafen – ma specyficzne właściwości, przewodzi prąd tak, jak grafit, a jednocześnie jest elastyczna [3]. Kilka lat później zsyntezowano, wykryty wcześniej w meteorytach i pyle międzygwiezdnym, opisany teoretycznie, karbin – łańcuch składający się atomów węgla połączonych wiązaniami wielokrotnymi (=C=C=C=) lub (–C \( \ce{\bond{#}} \)C–C \( \ce{\bond{#}} \)C–), co pozwala na poruszanie się elektronów wzdłuż łańcucha, czyli przewodzenie. Ponadto karbin może być skręcany podobnie, jak nici DNA, co daje bardzo ciekawe perspektywy zastosowania go jako sztucznych tkanek [4]. Ostatnio odkrytą odmianą alotropową węgla jest karbon C18 – 18-to atomowa cykliczna struktura, która ma właściwości półprzewodnikowe [5].
Rys. 4 przedstawia historię odkryć odmian alotropowych węgla.

Właściwości chemiczne

Węgiel pierwiastkowy jest stosunkowo nieaktywny w warunkach pokojowych. W standardowej temperaturze i pod standardowym ciśnieniem jest odporny na wszystkie najsilniejsze utleniacze. W podwyższonych temperaturach reaguje z tlenem z powietrza, tworząc tlenki. Reaguje również z tlenkami metali powodując ich redukcję do pierwiastkowego metalu. Ta egzotermiczna reakcja jest stosowana w przemyśle metalurgicznym:

Najważniejsze związki

Chemia związków węgla to ogromna, liczona w milionach, liczba odkrytych i zsyntezowanych związków organicznych. Ich podział został omówiony w podręcznikach Chemia ogólna oraz Podstawy chemii polimerów. Z każdym rokiem ich liczba rośnie, ponieważ wciąż są syntezowane nowe związki.

Poniżej przedstawiono najważniejsze związki nieorganiczne węgla.
\( CO \) tlenek węgla (II), czad – bezwonny, bezbarwny, palny, silnie trujący gaz (w hemoglobinie zajmuje miejsce cząsteczki tlenu).
Węgiel stosowany jest w metalurgii jako reduktor:

W obecności węgla aktywnego, jako katalizatora, tworzy fosgen – duszący gaz bojowy, zastosowany po raz pierwszy w czasie I wojny światowej:

Mieszanina \( CO \) i \( H_2 \) jest surowcem wyjściowym do produkcji syntetycznej benzyny.
\( CO \) jako ligand tworzy kompleksowe karbonylki \( M_1[M_2(CO)_n] \)

\( CO_2 \) tlenek węgla (IV), dwutlenek węgla – bezbarwny, bezwonny, niepalny gaz, gaz cieplarniany, który zatrzymuje przy powierzchni ziemi część ciepła docierającego ze Słońca, dzięki czemu możliwy jest rozwój fauny i flory. Nadmiar \( CO2 \) w atmosferze ziemskiej, wytwarzany poprzez zintensyfikowaną działalność człowieka (przemysł, rolnictwo), powoduje globalne ocieplenie, czyli nasilenie efektu cieplarnianego.
\( CO_2 \) w reakcji z wodą tworzy słaby kwas węglowy:

\( CO_2 + H_2O \rightarrow H_2CO_3 \)

\( M_2(CO_3)n \) węglany – najczęściej spotykane minerały (wapienie, dolomity).
\( M(HO_3)n \) wodorowęglany – sole mineralne powodujące twardość wody, nadające przyjemny smak wodzie mineralnej.
\( CS_2 \) dwusiarczek węgla – substrat w syntezie CCl4, oraz sztucznego jedwabiu.
\( HCN \) cyjanowodór (kwas pruski) bardzo toksyczny gaz, składnik migdałów, ziemia okrzemkowa nasycona cyjanowodorem – Cyklon B był używany w hitlerowskich obozach koncentracyjnych do uśmiercania więźniów.
\( NaCN \) cyjanek sodu stosowany w ekstrakcji złota i srebra oraz galwanotechnice (powstają kompleksowe cyjanki metali ciężkich).
\( SiC \) węglik krzemu (karborund) o twardości zbliżonej do diamentu stosuje się jako materiał szlifierski.
\( TiC \) węglik tytanu (II) stosuje się do pokrywania ostrzy do skrawania metali.
\( WC \) węglik wolframu ma najwyższą (6000 °C) temperaturę wrzenia spośród znanych związków, wykazuje bardzo wysoką twardość, używa się go w narzędziach tnących, pociskach, wygładzarkach i łożyskach, jako tańszą i bardziej odporną na działanie temperatury alternatywę diamentu.