Zastosowanie Węgla

Węgiel oraz jego związki, odgrywa istotną rolę w przyrodzie. Węgiel jest nieodzownym składnikiem przyrody ożywionej.
To pierwiastek czwartej grupy głównej (IVA) układu okresowego, które na ostatniej powłoce walencyjnej ma po cztery elektrony.


Taka konfiguracja elektronowa ma tendencję do tworzenia wiązań kowalencyjnych z atomami wodoru, tlenowców i fluorowców. Trwałą konfigurację elektronową węgiel uzyskuje 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.

Dwutlenek węgla jest składnikiem atmosfery i bierze udział w procesie fotosyntezy.

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

Tym sposobem dwutlenek węgla pochłaniany jest przez rośliny z powietrza i wiązany pod postacią związków organicznych. Po śmierci rośliny cześć węgla powraca w postaci CO2 do atmosfery, natomiast reszta gromadzi się w postaci szczątków organicznych w glebie lub na dnie zbiorników wodnych.
Szczątki te ulegają powolnym przemianom w wyniku, czego powstały złoża torfu i węgli kopalnych.
Związki chemiczne węgla

Najbardziej znanymi związkami chemicznymi węgla są:
Tlenki węgla (dwutlenek węgla CO2 i tlenek węgla CO)
węglany
węgliki

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

Wody mineralne gazowane zawierają rozpuszczony dwutlenek węgla

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 źródło energii cieplnej w palnikach tlenowo-acetylenowych.



Fullereny

Z innych ciekawszych związków węgla należy wymienić fullereny. Są to struktury zbudowane tylko z atomów węgla, tworzące zamknięte sfery kuliste lub elipsoidalne. Ponieważ zawierają one wyłącznie atomy węgla, więc uznano je za jego kolejną odmianę alotropową.
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 człowieka.
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 produkcji mocznika.