Węgiel. Charakterystyka, właściwości i zastosowanie
Węgiel jest pierwiastkiem chemicznym, niemetalem. Jego właściwości zależą od odmiany, w jakiej występuje. Znajduje się na czwartym miejscu pierwiastków występujących we Wszechświecie, po tlenie, wodorze i helu. Jest obecny w każdym żywym organizmie. W ciele ludzkim po tlenie jest najliczniejszym pierwiastkiem ze względu na masę. Ilość ta w połączeniu z różnorodnością związków organicznych sprawia, że węgiel jest podstawą życia.
1. Czym jest węgiel?
Węgiel - C (łac. carboneum), to pierwiastek chemiczny, niemetal, o liczbie atomowej 6. W okresowym układzie pierwiastków znajduje się w bloku p, w grupie 14 (IVA). Ma 4 elektrony walencyjne. Istnieją 3 naturalne izotopy węgla. 12C i 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy. Czas jego połowicznego rozpadu wynosi około 5700 lat.
Znany był, jako jeden z nielicznych pierwiastków, już w czasach prehistorycznych. Węgle kopalne jako paliwo stosowano od IX wieku. W czasach starożytnych znano także grafit i diament, nie zdawano sobie jednak wtedy sprawy, że są to alotropowe odmiany węgla (szerzej o tym w dalszej części tekstu).
W 1773 roku francuski fizyk Antoine Lavoisier spalił diament w tlenie, przez co otrzymał dwutlenek węgla. W 1779 roku niemiecko - szwedzki aptekarz chemik, Carl Scheele stwierdził to samo w przypadku grafitu. Nazwę polską jako pierwszy zaproponował polski chemil, Filip Neriusz Walter.
2. Odmiany alotropowe węgla
Węgiel występuje w następujących odmianach alotropowych:
- fuleren;
- diament;
- grafit;
- grafen;
- cyklokarbon.
Wyróżniamy także nanocebulki i nanorurki, które nie do końca stanowią odmiany alotropowe węgla- są to raczej nazwy struktur supramolekularnych. Zgodnie z niepotwierdzonymi doniesieniami możemy mówić również o istnieniu karbinu i łańcuchów liniowych.
3. Właściwości chemiczne węgla
Węgiel to pierwiastek dwu- i czterowartościowy, występujący w stopniach utlenienia +2, +4 i -4. Pierwiastek ten jest mało aktywny chemicznie, nie jest rozpuszczalny w wodzie, zasadach oraz kwasach. W temperaturze około 20°C reaguje tylko z fluorem.
Po podgrzaniu węgiel reaguje z siarką i tlenem, w bardzo wysokich temperaturach zaś bezpośrednio łączy się z wodorem i wieloma atomami, tworząc tak zwane węgliki.
Atomy węgla mają zdolność do tworzenia wiązań między sobą, dzięki czemu istnieje bardzo duża liczba związków węgla, pierścieniowych i łańcuchowych, rozgałęzionych i prostych. W skład tych związków wchodzą oprócz węgla azot, tlen, siarka i fluorowce.
Jedna z alotropowych odmian węgla - diament jest substancją o niskiej aktywności nawet w wysokiej temperaturze. W powietrzu spala się wolno (pow. 800°C), w czystym tlenie zaś spalanie jest gwałtowniejsze. Na diament nie działają ani kwasy, ani zasady.
Inna odmiana alotropowa węgla - grafit to substancja o także niskiej aktywności, jednak łatwiej wchodzi w reakcje chemiczne niż diament. W powietrzu grafit spala się w temperaturze około 700°C. Z fluorem w obecności fluorowodoru (HF) reaguje w temperaturze poniżej 100°C, bez HF w temperaturze powyżej 400°C.
4. Właściwości fizyczne i zastosowanie
Węgiel jest ciałem stałym. Rozpuszcza się w stopionym żelazie lub kilku innych stopionych metalach, nie rozpuszcza się natomiast w żadnym znanym rozpuszczalniku.
Węgiel nie topi się, lecz pod ciśnieniem atmosferycznym, w bardzo wysokiej temperaturze, ponad 3500°C sublimuje. Jak już wcześniej opisaliśmy, występuje w dwóch podstawowych odmianach alotropowych (diament i grafit), różniących się od sobą postacią krystalograficzną. Węgiel bezpostaciowy zaś (sadza) stanowi drobnokrystaliczną postać grafitu.
4.1. Diament
W stanie czystym diament tworzy przezroczyste, bezbarwne struktury. Charakteryzuje się dużą twardością (jest najtwardszy spośród wszystkich minerałów), silnie łamie światło i jest izolatorem (nie przewodzi prądu elektrycznego).
Gęstość diamentu wynosi 3,51 g/cm³. W przestrzennej sieci diamentu wszystkie atomy węgla otoczone są przez 4 inne atomy, któryś środki ciężkości wyznaczają czworościan foremny.
Każde wiązanie chemiczne w sieci diamentu to wiązanie kowalencyjne o jednakowej długości. W zależności od ilości i rodzaju zanieczyszczeń kryształy diamentu mogą mieć zabarwienie czerwone, żółte, niebieskie, fioletowe i brunatne.
Diamenty oszlifowane to brylanty, ich cechą charakterystyczną jest wspaniała gra świateł. Diament, który nadaje się do celów jubilerskich, jest spotykany dość rzadko. Przede wszystkim wydobycie diamentu służy do celów technicznych.
Jest wykorzystywany do szlifowania niezwykle twardych ciał, wyrobu ostrzy do świdrów górniczych, cięcia szkła, oraz tworzenia łożysk w precyzyjnych przyrządach.
Podgrzewanie diamentu przy braku dostępu powietrza, w temperaturze powyżej 1500°C prowadzi do uzyskania grafitu. Odwrócenie tej reakcji i przekształcenie grafitu w diament jest trudną operacją.
4.2. Grafit
Drugą podstawową odmianą alotropową węgla jest grafit, także występujący jako minerał. Występuje w barwie czarnoczarej, w dotyku jest tłustawy, miękki. Ma słaby metaliczny połysk, dobrze przewodzi ciepło i elektryczność, jego gęstość zaś wynosi od 2,1 do 2,3 g/cm³.
Przestrzenna sieć tego minerału składa się z równoległych warstw, w których obrębie atomy węgla wykazują liczbę koordynacyjną 3. Silne wiązania atomowe mają miejsce tylko między atomami węgla w warstwie, pomiędzy warstwami wiązania te są słabsze.
Grafit i drobne dodatki gliny jako środek wiążący używany jest do wyrobu tygli do topienia metali. Ponieważ grafit dobrze przewodzi prąd elektryczny, stosuje się go do wyrobu elektrod dla przemysły eletrometalurgicznego i chemicznego.
Jest stosowany także do wyrobu ołówków, z grafitu w formie zawiesiny w oleju maszynowym używany jest jako smar dla mechanizmów pracujących w wysokich temperaturach lub jako moderator w stosach atomowych.
4.3. Węgiel bezpostaciowy
Węgiel w formie bezpostaciowej powstaje wskutek rozkładu termicznego wielu substancji organicznych. Własności takiego rodzaju węgla (koksu, sadzy, węgla drzewnego oraz kostnego) w dużym stopniu zależą od produktu wyjściowego oraz od temperatury, w jakiej rozkład został przeprowadzony.
Koks otrzymujemy w procesie suchej destylacji (ogrzewanie bez tlenu) węgla kamiennego w temperaturze 1000 - 1200°C. Stosowany jest przede wszystkim jako środek opałowy, a także w syntezie związków organicznych na skalę przemysłową.
Sadza jest produktem rozkładu termicznego wielu węglowodorów i niepełnego spalania różnych substancji organicznych. Wykorzystuje się ją do wyrobu tuszu, farb malarskich i drukarskich oraz do wypełniania kauczuku.
Węgiel drzewny otrzymujemy jako produkt wspomnianej wyżej suchej destylacji. Charakteryzuje się dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi.
Wskutek zwęglenia węgla drzewnego w możliwie niskich temperaturach z dodatkiem ZnCl2 otrzymujemy węgiel aktywny o silnie rozwiniętej powierzchni. Stosuje się go do pochłaniania gazów bądź substancji rozpuszczonych w roztworach (odbarwianie rozpuszczalników i preparatów, osuszania gazów, oczyszczania powietrza z par). Może być stosowany także jako nośnik katalizatorów w syntezie organicznej.
