• Rejestracja
• Zadania

  Biologia Chemia Fizyka Geografia Informatyka Matematyka Przedsiębiorczość

  Historia Język polski Język angielski Język francuski Język niemiecki Języki obce - pozostałe WOS Pozostałe

• Prezentacje maturalne

Dodaj do: 

                             

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. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. 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, 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%). 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. 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 MPa (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:

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

Odmiany alotropowe węgla:
a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit
d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70
g) węgiel amorficzny, h) nanorurka

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%.

Obieg węgla

 Osobny artykuł: Obieg węgla w przyrodzie.

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.