Węgiel |
|
| Diament i grafit - dwie formy występowania węgla |
Diament i grafit - dwie formy występowania węgla |
Dane ogólne |
Nazwa, symbol,
l.a.
| Węgiel, C, 6 |
Grupa, okres, blok |
14 (IVA)
, 2,
p
|
Właściwości metaliczne |
niemetal
|
|
Właściwości fizyczne |
---|
Stan skupienia
| stały |
Gęstość
| 2090 do 2230
kg/m³
(grafit) od 1,5 do 0,5 (grafit) 10,0 (diament) | Twardość | C,6.jpg | Kolor | czarny (
grafit
,
fuleren
) bezbarwny (
diament
) |
Temperatura topnienia
| 3820
K
3546,85
°C
|
Temperatura wrzenia
| 5100 K 4826,85 °C |
Objętość molowa
| 5,29×10-6 m³/
mol
|
Ciepło parowania
| 355,8
kJ/mol
(
sublimuje
) |
Ciepło topnienia
| brak (sublimuje) |
Ciśnienie pary nasyconej
| 0
Pa
|
Prędkość dźwięku
| 18,35 km/s |
|
|
Najbardziej stabilne izotopy |
---|
|
|
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
|
Rozmieszczenie elektronów na powłokach w atomie węgla.
Węgiel (
łac.
carboneum) –
pierwiastek chemiczny
o symbolu C o liczbie atomowej 6. Należy do grupy 14
układu okresowego
, jest
niemetalem
. Posiada cztery
elektrony walencyjne
. Istnieją trzy naturalnie występujące
izotopy
węgla, 12C oraz 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest
promieniotwórczy
o
czasie połowicznego rozpadu
równym około 5700 lat.[1] Węgiel jest jednym z
niewielu pierwiastków
znanych w starożytności[2][3]. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował
Filip Walter
.
Znanych jest kilka
odmian alotropowych
węgla, z czego najbardziej znane to
grafit
oraz
diament
.
Właściwości fizyczne
węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Na przykład diament jest
przezroczysty
, natomiast grafit jest nieprzezroczysty i czarny. Diament jest jednym z najtwardszych materiałów na ziemi, podczas gdy grafitem można narysować kreskę na papierze. Diament ma bardzo niskie
przewodnictwo właściwe
, a grafit jest dobrym
przewodnikiem elektrycznym
. Diament posiada najwyższą
przewodność cieplną
z wszystkich znanych materiałów w
warunkach normalnych
. Wszystkie odmiany alotropowe węgla są w warunkach normalnych
ciałami stałymi
. Innymi odmianami alotropowymi węgla są:
fuleren
oraz formy poliynowe. Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są:
nanocebulka
,
nanorurka
,
nanopianka
, karbin, choć są to raczej nazwy struktur
supramolekularnych
, niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.
Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby przereagować nawet z
tlenem
. Największe ilości
nieorganicznego węgla
występują w postaci
skał wapiennych
,
dolomitów
oraz
dwutlenku węgla
, natomiast znaczne ilości
węgla organicznego
znajdują się w
paliwach kopalnych
. Węgiel tworzy więcej
związków
niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. Liczba organicznych związków węgla zarejestrowanych w bazie
Beilstein
w roku 2008 wynosiła 10 853 341[4], co jest małą częścią teoretycznych związków jakie można z niego otrzymać.
Węgiel znajduje się na czwartym miejscu
najczęściej występujących pierwiastków we Wszechświecie
, po
wodorze
,
helu
i
tlenie
. Jest obecny we wszystkich
organizmach żywych
. W ludzkim ciele jest po tlenie najliczniejszym pierwiastkiem ze względu na masę (ok. 18,5%)[5]. Ta ilość w połączeniu z różnorodnością
związków organicznych
stawia węgiel jako chemiczną podstawę
życia
.
Charakterystyka
Różne
odmiany alotropowe węgla
wykazują bardzo różne właściwości, np.
diament
jest najtwardszą naturalnie występującą substancją,
grafit
jest jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia
wiązań chemicznych
z innymi małymi atomami, włączając w to inne atomy węgla oraz tworzenia wielu
wiązań kowalencyjnych
z tymi atomami w wyniki czego związki zawierające węgiel w swojej strukturze stanowią znaczną cześć wszystkich znanych związków, liczba ich dochodzi do dziecięciu
milionów
.[6] Węgiel posiada także najwyższe temperatury
topnienia
oraz
sublimacji
z wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w ogóle topnienie węgla, a jego
punkt potrójny
występuje przy 10
M
Pa
(100
bar
) więc sublimuje on powyżej 4000K. Węgiel sublimuje do łuku węglowego w temperaturze ok. 5800K. więc niezależnie od odmian alotropowych węgiel pozostaje
ciałem stałym
w wyższych temperaturach niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (
wolfram
i
ren
). Jednakże termodynamicznie węgiel bardzo łatwo się utlenia, znacznie lepiej niż
żelazo
czy
miedź
które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.
Związki zawierające węgiel są podstawą życia na
Ziemi
a
cykl węglowo-azotowo-tlenowy
dostarcza część energii wytwarzanej przez
Słońce
i inne
gwiazdy
. Pomimo różnorodności związków węgla większość tych form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z
kwasem siarkowym (VI)
,
kwasem solnym
,
chlorem
ani
zasadami
. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak
tlenek żelaza
, do metalu. Ta
egzotermiczna reakcja
jest używana w przemyśle żelazowym i stalowym do kontroli zawartości węgla w stali:
- Fe3O4+ 4C(s) → 3Fe(s) + 4CO(g)
Z
siarką
tworzy
dwusiarczek węgla
, a z
parą wodną
tlenek węgla
i
wodór
:
- C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
Węgiel reaguje z niektórymi metalami tworząc
węgliki
, takie jak
węglik żelaza
(cementyt),
Węglik wolframu
który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.
Odmiany alotropowe węgla
Węgiel posiada następujące odmiany
alotropowe
:
Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są:
Choć są to raczej nazwy struktur
supramolekularnych
niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.
Występowanie
Naturalne złoża
węgla kamiennego
i
węgla brunatnego
to mieszanina węgla w postaci grafitu,
sadzy
i różnego rodzaju zanieczyszczeń. Zawartość węgla w
skorupie ziemskiej
wynosi 0,018%.
- W postaci pierwiastka chemicznego:
- W postaci związków chemicznych:
- W mieszaninach jakimi są
paliwa kopalne
:
Obieg węgla
Diagram przedstawiający obieg węgla w przyrodzie.
W
ziemskich
warunkach, zmiana jednego związku w drugi jest rzadka. jednak ilość węgla na ziemi jest stała. Dlatego musi istnieć proces powodujący utrzymanie równej ilości węgla w różnych częściach ziemi. Ścieżki jakimi "wędruje" węgiel tworzą
obieg węgla w przyrodzie
. Np. rośliny pochłaniają
dwutlenek węgla
z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie
fotosyntezy
lub
cyklu Calvina
. Część biomasy produkowanej przed rośliny zostaje zjedzona przed zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.
Związki węgla
Związki organiczne
Struktura
metanu
, najprostszego związku organicznego.
Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C-C. Zdolność ta nosi nazwę
katenacji
. Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne.
Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną ilość związków. Ilość związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla (nie licząc związków zawierających
wodór
, gdyż praktycznie każdy związek organiczny zawiera atom wodoru).
Najprostszymi związkami organicznymi są
węglowodory
- związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Długość łańcucha, boczne łańcuchy oraz
grupy funkcyjne
wpływają na właściwości związku.
Węgiel jest głównym składnikiem wszystkich plastikowych materiałów używanych potocznie w gospodarstwach domowych.
Węgiel występuje w każdym
organizmie
żywym oraz jest podstawą
chemii organicznej
. Węglowodory to grupa palnych związków które odgrywaja istotną rolę w przemyśle
polimerowym
,
petrochemicznym
oraz
paliw kopalnych
.
Gdy w związku obok węgla i wodoru występuje tlen, tworzy się wiele ważnych biologicznie grup związków, takich jak
cukier
,
chityna
,
alkohole
,
tłuszcze
, zapachowe
estry
,
karotenoidy
oraz
terpeny
. Związki zawierające
azot
tworzą
alkaloidy
,
aminokwasy
, zawierające
siarkę
antybiotyki
. Związki zawierające fosfor tworzą
DNA
,
RNA
oraz
ATP
, najważniejszy przenośnika energii w komórce.
Związki nieorganiczne
Oprócz
organicznych związków
węgla duże znaczenie mają też
dwutlenek węgla
,
tlenek węgla
,
kwas węglowy
,
węglany
oraz
węgliki
. Powszechnie stosowany jest w
stopach z żelazem
(
stal
i
żeliwo
). W związkach węgiel jest zazwyczaj
czterowartościowy
, rzadko dwuwartościowy (np. w
tlenku węgla
oraz
związkach kompleksowych
). Występuje na rozmaitych
stopniach utlenienia
w zakresie od -4 do +4.
Do najważniejszych
tlenków węgla
należą tlenek, dwutlenek i
podtlenek
.
Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne.
Zastosowanie węgla
Węgiel jest jednym z
paliw
kopalnych i ważnym źródłem
nieodnawialnej energii
. Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania
efektu cieplarnianego
.
Izotop 14C używany jest do
datowania
. W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem 14C, i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję azotu do węgla.
Grafit jest stosowany w
poligrafii
do produkcji
ołówków
oraz jako jedna z
elektrod
w
spawalnictwie
. Diament jest
kamieniem szlachetnym
stosowanym w
jubilerstwie
oraz ze względu na swoją wysoką
twardość
w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do
skrawania
, zwłaszcza
szlifowania
i
wiercenia
. Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako
węgiel aktywny
do procesów
filtracji
i oczyszczania.
Przypisy
Linki zewnętrzne