„Węgiel jako pierwiastek chemiczny”.
Węgiel, carboneum, C, pierwiastek chemiczny należący do grupy IV A w układzie okresowym. Liczba atomowa 6, masa atomowa 12,0. Znanych jest 12 izotopów węgla, w tym 2 trwałe.
W przyrodzie występuje w stanie wolnym, ponadto w licznych związkach chemicznych w organizmach roślinnych i zwierzęcych, węglach kopalnych, ropie naftowej, gazie ziemnym, minerałach, atmosferze.
Tworzy odmiany alotropowe: diament, grafit, fullereny, węgiel bezpostaciowy (sadza, węgiel aktywny). Jest typowym niemetalem.
Diament, odmiana alotropowa węgla, krystalizuje w układzie okresowym (w klasie tetraedrycznej) - każdy atom węgla połączony jest wiązaniami kowalencyjnymi z czterema innymi atomami znajdującymi się w narożach tetraedru, wszystkie odległości między atomami węgla są jednakowe i wynoszą 1,54 Å.
Diament tworzy bezbarwne, przezroczyste kryształy o ekstremalnie dużej twardości. Zanieczyszczenia nadają diamentowi różnorakie zabarwienie. Diament cechuje duża odporność chemiczna. W wyższych temperaturach diament przechodzi w grafit. Odwrotną przemianę można przeprowadzić tylko w bardzo drastycznych warunkach ciśnienia.
Bardziej przyszłościową metodą otrzymywania diamentu jest niskociśnieniowa epitaksja diamentu z fazy gazowej. Diamenty wykorzystywane są w technice do obróbki innych materiałów, w chirurgii jako narzędzia do cięcia. Diamenty po oszlifowaniu zwane są brylantami, rautami lub rozetami w zależności od rodzaju szlifu.
Występują w silnie zasadowych skałach magmowych oraz w piaskach rzecznych i plażowych. Używany w jubilerstwie jako kamień szlachetny. Odpowiednio domieszkowany diament (np. za pomocą boru) ma własności półprzewodnikowe, wytworzone z niego układy scalone mogą pracować w wysokich temperaturach. Tranzystor diamentowy ma wyższe napięcie przebicia i pracuje szybciej aniżeli jego odpowiedniki krzemowe.
Grafit, odmiana alotropowa węgla o barwie czarnoszarej i metalicznym połysku, mało reaktywna, bardzo miękka (wartość 1 w skali twardości Mohsa). Powstaje w wysokich temperaturach przy braku tlenu. Grafit dobrze przewodzi prąd elektryczny oraz ciepło, jest łupliwy, nierozpuszczalny. Czysty grafit krystalizuje w układzie heksagonalnym, sieć przestrzenna składa się z równoległych warstw, powiązanych ze sobą siłami Londona i oddalonych od siebie o 3,35 Å, w obrębie warstwy odległość między atomami węgla wynosi 1,42 Å.
Grafit występuje w przyrodzie w postaci minerału. Na skalę techniczną grafit jest otrzymywany przez ogrzewanie antracytu. Grafit służy do wyrobu elektrod, tygli ogniotrwałych, ołówków, smarów, farb. W reaktorach jądrowych pręty grafitu spełniają rolę moderatora.
Fullereny, cząsteczki węgla zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset atomów, wchodzą w skład kryształów molekularnych tworzących odmianę alotropową węgla. Najbardziej trwałe fullereny to: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C240, C540, C960. Cząsteczki te składają się z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych skonstruowanych przez R. Buckminstera Fullera (stąd nazwa). Fullereny łatwo sublimują, są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Cząsteczki C60 (najbardziej stabilne) mają kształt piłki futbolowej, o średnicy powyżej 1 nm. C60 można otrzymać przez laserowe odparowanie grafitu w atmosferze helu lub wytworzenie łuku elektrycznym między elektrodami grafitowymi (także w atmosferze helu). Rozdział fullerenów od innych związków węgla można wykonać za pomocą związków makrocyklicznych (tzw. kaliksarenów), które selektywnie tworzą z fullerenów odwracalne kompleksy typu gość-gospodarz.
W przyrodzie odkryto fullereny w śladowych ilościach w warstwie gliny bogatej w sadzę - pochodzącej z okresu kredowego (Nowa Zelandia). Cząsteczki C60 otoczone kolejnymi fullerenami (np. C240, C540, C960)) tworzą struktury hiperfullerenowe. Wewnątrz cząsteczki fullerenu można umieścić atomy metali (tzw. metalofullereny). Przewiduje się, iż fullereny i ich metaliczne związki znajdą zastosowanie jako przewodniki, półprzewodniki, nadprzewodniki (nadprzewodnictwo), smary, włókna sztuczne, farmaceutyki.
Sadza, odmiana alotropowa węgla, czarny proszek. Gęstość 1,6-2,0 g/cm3. Wykazuje odporność na działanie wielu czynników chemicznych (np. kwasów). Ogrzewana w temperaturze 3000°C pod zmniejszonym ciśnieniem, w atmosferze gazu obojętnego przechodzi w sadzę grafitową o strukturze geometrycznej zbliżonej do grafitu i powierzchni właściwej rzędu kilkudziesięciu m2/g. Podstawowymi surowcami do otrzymywania sadzy są: gaz ziemny, naftalen, oleje, smoły. Sadza znajduje zastosowanie w przemyśle tworzyw sztucznych (jako wypełniacz), przemyśle gumowym oraz do produkcji farb, lakierów i tuszu.
Węgiel aktywny, węgiel aktywowany, drobnokrystaliczna forma węgla o strukturze zbliżonej do grafitu. Powierzchnia właściwa węgla aktywnego zawiera się w przedziale 400-900 m2/g.
Otrzymywany przez usunięcie substancji smolistych z węgla surowego i częściowe jego spalenie w wysokiej temperaturze lub przez impregnację materiałów organicznych (takich jak torf, drewno, trociny, tkanki zwierzęce) niektórymi solami, np. K2S, ZnCl2, a następnie prażenie ich bez dostępu powietrza i przemywanie wodą.
Stosowany jako absorbent, katalizator, pochłaniacz w maskach gazowych, w medycynie jako antidotum w ostrych zatruciach.
Temperatura topnienia węgla powyżej 3550°C. W związkach chemicznych na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej łączy się z fluorem (CF4). Silnie ogrzany reaguje z tlenem (CO2), siarką (CS2), wodorem, parą wodną, metalami.
Jest odporny na działanie kwasu solnego i fluorowodorem, z azotem reaguje podczas wyładowań elektrycznych ((CN)2).
Do najważniejszych związków węgla należą: czterochlorek węgla, freony, fosgen, dwusiarczek węgla, dwutlenek węgla, tlenek węgla, woda sodowa, sekwikarbonat, wodorotlenek sodu, węglan sodu, cyjanek, izocyjanian, węglowodory, związki międzywęzłowe.
Jest źródłem energii w przemyśle, środkiem redukującym stosowanym przy otrzymywaniu niektórych metali. Izotop 14C jest wskaźnikiem promieniotwórczym. Liczne zastosowania mają organiczne związki węgla, np. polimery.