Węgiel (C)

Węgiel w układzie okresowym

Pierwiastek leży w drugim okresie, czyli w drugim poziomym rzędzie tablicy — to oznacza, że jego elektrony rozmieszczone są na 2 powłokach. Znajduje się w 14 grupie (blok p — elektrony walencyjne zapełniają podpowłokę p). W tej samej grupie stoją: Krzem, German, Cyna, Ołów, Flerow — pierwiastki z jednej grupy mają podobną liczbę elektronów walencyjnych, dlatego zachowują się chemicznie podobnie. W temperaturze pokojowej Węgiel jest ciałem stałym (topnieje w 3550 °C, wrze w 4027 °C).

Węgiel — co to za pierwiastek

Szkielet każdej żywej istoty — i, w innym ułożeniu atomów, diament oraz grafit w ołówku.

Właściwości pierwiastka Węgiel

Węgiel jest niemetalem występującym w kilku odmianach alotropowych, czyli tych samych atomach ułożonych na różne sposoby. Diament jest przezroczysty i najtwardszy ze znanych minerałów, bo każdy atom łączy się w nim z czterema sąsiadami w sztywną przestrzenną siatkę. Grafit jest czarny, miękki i przewodzi prąd, bo zbudowany jest z płaskich warstw ślizgających się po sobie. Do tej samej rodziny należą fulereny i grafen. Grafit ma gęstość 2,267 g/cm³, a węgiel przechodzi w stan ciekły dopiero w temperaturze rzędu 3550 °C. W temperaturze pokojowej jest bardzo mało aktywny: nie rozpuszcza się w wodzie ani w typowych kwasach. Podgrzany reaguje z tlenem — przy jego nadmiarze powstaje dwutlenek węgla, przy niedoborze trujący tlenek węgla. W wysokiej temperaturze odbiera tlen tlenkom metali, czyli działa jak reduktor. Jego atom tworzy cztery wiązania i łączy się z kolejnymi atomami węgla w długie łańcuchy oraz pierścienie.

Zastosowanie pierwiastka Węgiel

Węgiel jest podstawą przemysłu chemicznego i energetyki. Węgiel kamienny i brunatny spala się w elektrowniach, a otrzymywany z niego koks pracuje w wielkim piecu przy wytapianiu żelaza z rudy — bez niego nie byłoby stali. Grafit trafia do wkładów ołówków, do elektrod w piecach hutniczych i do anod w bateriach litowo-jonowych, którymi zasilane są telefony i samochody elektryczne. Węgiel aktywny, czyli mocno rozdrobniony węgiel o ogromnej powierzchni wewnętrznej, oczyszcza wodę w filtrach domowych, pochłania gazy w maskach przeciwgazowych i bywa podawany przy zatruciach pokarmowych. Diament, dzięki twardości, tnie i szlifuje kamień, beton oraz metal; wiertła i tarcze diamentowe pracują na każdej większej budowie, a najładniejsze kryształy idą na biżuterię. Włókna węglowe wzmacniają ramy rowerów, kadłuby samolotów i kaski. Sadza barwi opony oraz tusze drukarskie. Wreszcie prawie wszystkie tworzywa sztuczne, leki, barwniki i paliwa silnikowe to związki węgla — cała chemia organiczna zajmuje się właśnie jego połączeniami.

Węgiel — najważniejsze związki chemiczne

Najważniejszym związkiem węgla jest dwutlenek węgla CO₂ — gaz wydychany przez zwierzęta, pobierany przez rośliny w fotosyntezie i odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Tlenek węgla CO powstaje przy niepełnym spalaniu i jest trujący, bo blokuje przenoszenie tlenu we krwi. Rozpuszczony w wodzie CO₂ daje słaby kwas węglowy H₂CO₃, którego sole to węglany: węglan wapnia CaCO₃ buduje wapienie, kredę, muszle i skorupki jaj, a węglan sodu Na₂CO₃, czyli soda, służy do produkcji szkła. Metan CH₄ jest najprostszym węglowodorem i głównym składnikiem gazu ziemnego. Z metalami węgiel tworzy węgliki, na przykład bardzo twardy węglik wolframu WC, z którego robi się ostrza narzędzi skrawających.

Węgiel — gdzie go spotykasz

• organizmy żywe
• ołówek
• diamenty
• paliwa
• grafen

Węgiel w szkole — co trzeba wiedzieć

Na sprawdzianie najczęściej pojawia się położenie węgla: symbol C, liczba atomowa 6, grupa 14, okres 2, konfiguracja [He] 2s² 2p², cztery elektrony walencyjne i wartościowość IV. Masa atomowa wynosi 12,011 u, w zadaniach zwykle zaokrąglana do 12. Trzeba umieć zapisać spalanie całkowite C + O₂ → CO₂ oraz niecałkowite 2 C + O₂ → 2 CO i pamiętać, że CO to czad, a CO₂ to gaz, od którego mętnieje woda wapienna. Najczęstsze pomyłki to mylenie tlenku węgla z dwutlenkiem oraz mylenie pierwiastka węgla z węglem kamiennym, który jest skałą, czyli mieszaniną wielu substancji. Warto zapamiętać, że odmiany alotropowe to jeden pierwiastek w różnych układach atomów: diament twardy i nieprzewodzący, grafit miękki i przewodzący. W liceum dochodzi chemia organiczna — wszystkie węglowodory, alkohole i kwasy to szkielety węglowe, więc dobre opanowanie wartościowości IV procentuje przez cały rok.

Węgiel — historia odkrycia

Węgiel znany jest od starożytności — w postaci węgla drzewnego i sadzy używano go do rysowania, do wytapiania metali i do konserwowania drewna. Nikt go wtedy nie odkrył w dzisiejszym sensie, bo nie wiedziano, że sadza, grafit i diament to ten sam pierwiastek. Nazwa pochodzi od łacińskiego carbo, czyli węgiel drzewny, i stąd też łacińska nazwa pierwiastka carboneum. Dopiero pod koniec XVIII wieku chemicy spalili diament w naczyniu z tlenem i przekonali się, że powstaje z niego wyłącznie dwutlenek węgla — dokładnie ten sam produkt co przy spalaniu węgla drzewnego. To był dowód, że najtwardszy kamień świata i czarny pył z ogniska zbudowane są z tego samego.

Węgiel — skąd wzięła się nazwa

łac. carbo — węgiel drzewny

Węgiel — izotopy

węgiel-12, -13 trwałe; -14 służy do datowania

Węgiel — bezpieczeństwo

Sam nietoksyczny; groźne są produkty spalania, np. tlenek węgla.

Ciekawostki o pierwiastku Węgiel

• Ten sam pierwiastek daje najtwardszy diament i miękki grafit.
• Jeden gram węgla aktywnego ma powierzchnię wewnętrzną liczoną w setkach metrów kwadratowych, bo jest podziurawiony milionami drobnych porów.
• Ilość węgla-14 w martwych szczątkach maleje w stałym tempie, dlatego archeolodzy datują nim drewno, kości i tkaniny.
• W ołówku nie ma ani grama ołowiu — ślad na papierze zostawiają warstwy grafitu zdzierane z rysika.

Najczęstsze pytania o pierwiastek Węgiel