Węgiel

Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Występowanie / Związki chemiczne węgla / Zastosowanie /

Występowanie

Węgiel i krzem oraz ich związki, odgrywają istotną rolę w przyrodzie. Węgiel jest nieodzownym składnikiem przyrody ożywionej, a krzem przyrody martwej. Są to pierwiastki 14 grupy układu okresowego, które na ostatniej powłoce walencyjnej mają po cztery elektrony. 6C - (2, 4), 14Si - (2, 8, 4)

Taka konfiguracja elektronowa ma tendencję do tworzenia wiązań kowalencyjnych z atomami wodoru, tlenowców i fluorowców. Trwałą konfigurację elektronową węgiel i krzem uzyskują tworząc cztery wiązania kowalencyjne z udziałem elektronów innych atomów.

C + O2 ----> CO2 C + O=O ----> O=C=O

Węgiel występuje w przyrodzie zarówno w stanie wolnym jak i w postaci najrozmaitszych związków nieorganicznych i organicznych. Do nieorganicznych związków węgla należą przede wszystkim: dwutlenek węgla, węglany i węgliki. Węglan wapniowy (CaCO₃) - jest składnikiem wapieni, kredy, marmurów - tworzy masywy górskie.
W stanie wolnym węgiel występuje w przyrodzie w postaci minerałów - diamentu i grafitu . Są to różne odmiany alotropowe tego pierwiastka.

Odmiany alotropowe, są to różne postacie występowania substancji o tym samym składzie chemicznym, ale w odmiennych strukturach wewnętrznych.

Siatka grafitu W graficie występują płaskie warstwy atomów węgla, ułożone w postaci sześciokątów przypominających plastry wosku. W warstwach atomy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi. Odległości między atomami węgla w warstwie są takie same natomiast odległości między atomami węgla sąsiednich warstw odległości są większe. Z tej powodu wiązania miedzy atomami w warstwie są silniejsze niż między atomami z sąsiednich warstw. Ułatwia to "oderwanie" od siebie atomów sąsiednich warstw. Dlatego grafit jest miękki, mażący i łupliwy.

Siatka diamentu W diamencie w odróżnieniu od grafitu, odległości między sąsiednimi atomami węgla są takie same w każdym kierunku. Dlatego i wiązania chemiczne są jednakowo silne w każdym kierunku. Diament jest najtwardszym znanym minerałem. Spotykany jest niezwykle rzadko. Grafit w odróżnieniu od diamentu przewodzi prąd elektryczny, jest miękki i łupliwy. W ostatnich latach diament na skalę przemysłową otrzymuje się w wyniku przekształcenia struktur grafitu w temperaturze ok.3000oC i ciśnieniu ok. 10000 atm.

Związki chemiczne węgla

Najbardziej znanymi związkami chemicznymi węgla są:

• tlenki węgla (dwutlenek węgla CO₂ i tlenek węgla CO)
• węglany
• węgliki

Węgiel w postaci związanej to głównie dwutlenek węgla i węglany.
Dwutlenek węgla jest składnikiem powietrza o zmiennej zawartoœci. Wydychają go ludzie i zwierzęta. Jest bezbarwnym, bezwonnym gazem, dobrze rozpuszczalnym w wodzie.
W odróżnieniu od tlenu i azotu dwutlenek węgla jest substancją złożoną z dwóch pierwiastków - węgla i tlenu. Uwalniany do atmosfery w procesie oddychania dwutlenek węgla, bierze udział w procesie fotosyntezy. Fotosynteza jest podstawowym procesem o podstawowym znaczeniu dla świata żywego.

Fotosynteza jest to proces produkcji przez rośliny cukrów, skrobi i celulozy z dwutlenku węgla i wody pod wpływem światła słonecznego

Życie w stanie, w jakim istnieje obecnie, możliwe jest tylko dzięki fotosyntezie. Energią dla jego utrzymania jest światło słoneczne pochłaniane przez chlorofil (barwnik roślin) i przekształcane w cukier o nazwie glukoza, która z kolei przekształca się w skrobię i celulozę (rys. 4).

Rys.4 Fotosynteza

Otrzymane cukry, służą następnie za materiał wyjściowy dla różnych przemian zachodzących w żywych organizmach.

Rys.5 Obieg dwutlenku węgla w przyrodzie

Na rysunku 5 został przedstawiony obieg węgla w przyrodzie. Węgiel wielokrotnie przemieszcza się w cyklu zamkniętym między atmosferą ziemską, skorupą ziemską, hydrosferą i organizmami. Węgiel jest głównym pierwiastkiem wchodzącym w skład związków organicznych, z których są zbudowane ciała organizmów. Węgiel znajdujący się w obiegu występuje głównie w wodach mórz i oceanów gdzie jest ok.16 razy więcej niż w atmosferze w postaci rozpuszczalnego dwutlenku węgla ( CO₂) oraz jonów wodorowęglanowych (HCO₃^-) i węglanowych (CO₃^2-).
W atmosferze węgiel istnieje prawie wyłącznie w postaci dwutlenku węgla (CO₂). Atmosferyczny dwutlenek węgla jest nieprzerwanie pobierany przez rośliny w procesie fotosyntezy oraz stale jest oddawany do atmosfery w procesie oddychania roślin i zwierząt. Dwutlenek węgla związany przez rośliny wchodzi w skład materii organicznej, z której korzystają zwierzęta i drobnoustroje. Martwe szczątki roślin i zwierząt ulegają rozkładowi i węgiel powraca w postaci dwutlenku węgla do atmosfery i wód. Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze zwiększa się podczas pożarów lasów i przy spalaniu paliw kopalnianych i przemysłowych. Są to dodatkowe zródła dopływu CO₂ do atmosfery. Ponieważ dopływ ten nie jest w pełni równoważony przez pobieranie dwutlenku węgla z atmosfery przez rośliny, następuje stały wzrost jego stężenia w atmosferze.
Równocześnie postępuje niekontrolowane wycinanie lasów asymilujących znaczące ilości CO₂. Zakłócenie stanu stacjonarnego i niewielki wzrost średniej zawartości CO₂ w atmosferze będzie miał katastrofalne skutki i może doprowadzić do zagłady ludzkości wskutek tzw. efektu cieplarnianego.

Rys.6 Efekt cieplarniany

Efekt cieplarniany jest to zjawisko występujące w atmosferze spowodowane obecnością w powietrzu pary wodnej, dwutlenku węgla, ozonu , tlenku węgla oraz metanu i występował zawsze od kiedy w atmosferze Ziemi pojawił się dwutlenek węgla i woda. Wymienione substancje posiadają zdolność pochłaniania (zatrzymywania) w atmosferze ciepła pochodzącego z nagrzewania Ziemi przez Słońce oraz własnego ciepła powstającego we jej wnętrzu. A to oznacza, że ciepło zostaje uwięzione, co daje efekt podobny do efektu wywołanego przez dach szklarni. Największy udział w tym efekcie ma para wodna i dwutlenek węgla. Jeżeli w przyrodzie jest zachowana równowaga wymienionych gazów to mówimy, że mamy do czynienia z naturalnym efektem cieplarnianym. W ostatnich dziesięcioleciach w wyniku działalności człowieka ta równowaga została zachwiana. W atmosferze zanotowano znaczny wzrost zawartości dwutlenku węgla. Jest to wynikiem;

• spalania dużej ilości paliw (węgiel, benzyna, olej napędowy)
• wycinania drzew, które pochłaniają dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy

Przypuszcza się, że jest to główny czynnik wzrostu średniej temperatury na Ziemi. Skutki mogą okazać się tragiczne, szczególnie dla tych miejsc, które są położone blisko oceanów i mórz. W wyniku topnienia lodów ulegną zalaniu znaczne obszary kontynentów a klimat wielu miejsc ulegnie zmianie. Przypuszcza się, że w Polsce będziemy mieli klimat podobny do tego, który występuje dziś na południowych Morawach.

Dwutlenek węgla powstaje w reakcji spalania węgla przy pełnym dostępie powietrza.

C + O₂ ---> CO₂

Jest on gazem bezbarwnym, bezwonnym, biernym toksycznie i chemicznie. Rozpuszczany w wodzie tworzy kwas węglowy.

CO₂ + H₂O ---> H₂CO₃

Tlenek węgla w odróżnieniu od dwutlenku węgla jest silnie toksyczną substancją, jego toksyczność polega na zablokowaniu funkcji hemoglobiny jako nośnika tlenu. Tlenek węgla powstaje podczas spalania węgla przy niedostatecznym dostępie tlenu z powietrza.

2C + O₂ ---> CO

Węgliki - najbardziej znanym węglikiem mającym praktyczne zastosowanie jest węglik wapnia CaC₂ nazywany również karbidem. Karbid reaguje z wodą z wydzieleniem acetylenu.

CaC₂ + H₂O ---> C₂H₂ + Ca(OH)₂

Acetylen wykorzystywany jest do wielu syntez organicznych i jako zrodło energii cieplnej w palnikach tlenowo-acetylenowych.

Fullereny Stosunkowo niedawno (1985) otrzymano sztucznie nową odmianę alotropową węgla - fulleren, a następnie (1991) kolejną - nanorurkę. W odmianach tych węgiel ma nowe, nieznane uprzednio właściwości, co spowodowało lawinę badań i odkryć. Fullereny to struktury zbudowane z atomów węgla (od 28 do kilkuset), tworzące zamknięte sfery kuliste lub elipsolidalne. Tworzą sie one w wyniku swobodnej kondensacji par wegla w atmosferze gazu obojetnego (helu); synteza jest prowadzona w łuku elektrycznym ( z uzyciem elektrod grafitowych) lub metodą odparowania grafitu wiązką światła laserowego o odpowiednio dużej mocy.

Nanorurki jest to odmiana w kształcie rurek (prostych, zakrzywionych lub spiralnych) obustronnie zamkniętych, jedno lub wielowarstwowych.
Fullereny i nanorurki wchodzą w liczne reakcje chemiczne i elektrochemiczne; ulegają reakcjom addycji i polimeryzacji, a przede wszystkim tworzą kompleksy wewnetrzne polegające na "uwięzieniu" niewielkich cząsteczek, atomów lub jonów wewątrz zamkniętej struktury węglowej. Otrzymano wiele połączeń o interesujących właściwościach, m.in. związki biologicznie czynne blokujące wirusa HIV, polimery liniowe, nadprzewodniki i półprzewodniki, błony fotoprzewodzące.

Zastosowanie

Każda z odmian węgla występującego w stanie wolnym ma duże znaczenie jako surowiec do produkcji wielu produktów, które mają praktyczne zastosowanie w życiu codziennym czlowieka. grafit - jest wykorzystywany do produkcji smarów, ołówków, elektrod, włókien węglowych oraz w technice jądrowej

• sadza - jako produkt spalania węglowodorów, ma zastosowanie jako wypełniacz do kauczuku w procesie produkcji gumy
• koks - ma zastosowanie w hutnictwie żelaza, cynku i ołowiu oraz jako paliwo w gospodarstwie domowym

Węgiel pod postacią związków chemicznych, głownie dwutlenku węgla ma zastosowanie jako:

• środek gaśniczy (gaśnice śniegowe)
• środek chłodniczy, tzw. "suchy lód"
• surowiec do producji mocznika

Więcej o organicznych związkach węgla organicznych w dziale "Chemia organiczna". Chemia organiczna

Ważne pojęcia

Odmiany alotropowe - są to różne postacie występowania substancji o tym samym składzie chemicznym, ale w odmiennych strukturach wewnętrznych.

POWRÓT

DALEJ