Startuj z nami!

www.szkolnictwo.pl

praca, nauka, rozrywka....

mapa polskich szkół
Nauka Nauka
Uczelnie Uczelnie
Mój profil / Znajomi Mój profil/Znajomi
Poczta Poczta/Dokumenty
Przewodnik Przewodnik
Nauka Konkurs
uczelnie

zamów reklamę
zobacz szczegóły
uczelnie

Węgiel (pierwiastek)

Węgiel (pierwiastek)

Węgiel
Diament i grafit - dwie formy występowania węgla

Diament i grafit - dwie formy występowania węgla
Dane ogólne
Nazwa, symbol, l.a. Węgiel, C, 6
Grupa, okres, blok 14 (IVA) , 2, p
Właściwości metaliczne niemetal
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
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.[1] Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności[2][3]. 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[4], 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%)[5]. Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych stawia węgiel jako chemiczną podstawę życia .

Spis treści

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 .[6] 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 M Pa (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:

Fe3O4+ 4C(s) → 3Fe(s) + 4CO(g)

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

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.

Związki węgla

Związki organiczne

Struktura metanu , najprostszego związku organicznego.

Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C-C. Zdolność ta nosi nazwę katenacji . Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne.

Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną ilość związków. Ilość związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla (nie licząc związków zawierających wodór , gdyż praktycznie każdy związek organiczny zawiera atom wodoru).

Najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory - związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Długość łańcucha, boczne łańcuchy oraz grupy funkcyjne wpływają na właściwości związku.

Węgiel jest głównym składnikiem wszystkich plastikowych materiałów używanych potocznie w gospodarstwach domowych.

Węgiel występuje w każdym organizmie żywym oraz jest podstawą chemii organicznej . Węglowodory to grupa palnych związków które odgrywaja istotną rolę w przemyśle polimerowym , petrochemicznym oraz paliw kopalnych .

Gdy w związku obok węgla i wodoru występuje tlen, tworzy się wiele ważnych biologicznie grup związków, takich jak cukier , chityna , alkohole , tłuszcze , zapachowe estry , karotenoidy oraz terpeny . Związki zawierające azot tworzą alkaloidy , aminokwasy , zawierające siarkę antybiotyki . Związki zawierające fosfor tworzą DNA , RNA oraz ATP , najważniejszy przenośnika energii w komórce.

Związki nieorganiczne

Oprócz organicznych związków węgla duże znaczenie mają też dwutlenek węgla , tlenek węgla , kwas węglowy , węglany oraz węgliki . Powszechnie stosowany jest w stopach z żelazem ( stal i żeliwo ). W związkach węgiel jest zazwyczaj czterowartościowy , rzadko dwuwartościowy (np. w tlenku węgla oraz związkach kompleksowych ). Występuje na rozmaitych stopniach utlenienia w zakresie od -4 do +4.

Do najważniejszych tlenków węgla należą tlenek, dwutlenek i podtlenek .

Znaczenie biologiczne węgla

Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne.

Zastosowanie węgla

Węgiel jest jednym z paliw kopalnych i ważnym źródłem nieodnawialnej energii . Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego .

Izotop 14C używany jest do datowania . W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem 14C, i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję azotu do węgla.

Grafit jest stosowany w poligrafii do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie . Diament jest kamieniem szlachetnym stosowanym w jubilerstwie oraz ze względu na swoją wysoką twardość w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do skrawania , zwłaszcza szlifowania i wiercenia . Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako węgiel aktywny do procesów filtracji i oczyszczania.

Przypisy

  1. Carbon – Naturally occurring isotopes . WebElements Periodic Table. [dostęp 2007-12-08].
  2. Periodic Table: Date of Discovery . [dostęp 2007-03-13].
  3. Timeline of Element Discovery . [dostęp 2007-03-13].
  4. CrossFire Beilstein Database 2008/03, Elsevier Information Systems GmbH.
  5. Biological Abundance of Elements . [dostęp 2007-12-06].
  6. Chemistry Operations: Carbon . Los Alamos National Laboratory, 15 grudnia 2003 . [dostęp 2007-11-21].

Linki zewnętrzne


Inne hasła zawierające informacje o "Węgiel (pierwiastek)":

Nowa Polityka Ekonomiczna ...

Związek organiczny ...

Heptozy ...

Sztolnie Kowary ...

Oskrzeliki ...

Wody gruntowe ...

Bar ...

Metamorfizm kontaktowy ...

Niecka śródsudecka ...

Blok karkonosko-izerski ...


Inne lekcje zawierające informacje o "Węgiel (pierwiastek)":

Pierwiastki (plansza 9) ...

Pierwiastki (plansza 2) ...

010b. Rzym (plansza 18) ...





Zachodniopomorskie Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie Mazowieckie Lubelskie Kujawsko-Pomorskie Wielkopolskie Lubuskie Łódzkie Świętokrzyskie Podkarpackie Małopolskie Śląskie Opolskie Dolnośląskie