Węgiel

Węgiel (łac. Carboneum) jest pierwiastkiem chemicznym w Tabeli Okresowej, jego oznaczenie to C, posiada 4 wiązania i jego liczba protonów wynosi 6. Węgiel stanowi podstawowy kamień budowlany wszystkich związków organicznych, a tym samym wszystkich organizmów żywych. Związki węgla są jednym z fundamentów światowej gospodarki, paliwa kopalne takie jak gaz ziemny i węgiel służą jako źródło energii do produkcji energii elektrycznej i ogrzewania, produkty przetwarzania ropy (benzyna, olej napędowy, ciężkie ropy) są niezbędne do napędu silników spalinowych. Produkty przemysłu chemicznego na bazie węgla są częścią codziennego życia, czy to mowa o tworzywach sztucznych, sztucznych włókniach, barwieniach lub lekach.

Formy węgla
Węgiel elementarny
Węgiel jest typowym pierwiastkiem niemetalowym, który występuje w stanie elementarnym w przyrodzie w dwóch podstawowych modyfikacjach, a w ostatnich około 20 latach została stworzona laboratoryjnie trzecia modyfikacja:

Grafit składa się z węgla, który krystalizuje w sześciokątnych warstwach i należy do najmiększych znanych minerałów. Ta właściwość jest wykorzystywana np. przy produkcji ołówków, w których drobna mieszanina grafitu i wapienia stanowi podstawową składnik kreski przeznaczonej do pisanie lub rysowania.
Diament składa się z węgla, który krystalizuje w układzie sześciennym, jest bardzo cennym minerałem i należy do najtwardszych materiałów. Waga diamentów podaje się w karatach, największym dotychczas znalezionym diamentem był Cullinan, który w surowym stanie przy znalezieniu w JAR miał masę 3 106 karatów (621,2 g).[1]
Fullereny to nowo odkryte sferyczne cząsteczki, złożone z pięciu lub częściej sześciu pierścień atomów węgla. W przestrzeni te cząsteczki są uporządkowane w sferoidalny kształt i są niezwykle odporne na zewnętrzne wpływy fizyczne. Najbardziej stabilny znany fulleren to cząsteczka zawierająca 60 atomów węgla. Fullereny są syntetycznie przygotowywane przez pyrolizę związków organicznych za pomocą lasera. Za odkrycie i badanie właściwości fullerenu w 1996 roku została przyznana Nagroda Nobla z chemii Robertowi F. Curlowi, Richardowi E. Smalleyowi i Haroldowi W. Krotoowi. W chwili obecnej badania nad właściwościami i metodami przygotowania fullerenu są intensywnie przeprowadzane w wielu czołowych instytucjach naukowych na całym świecie.
Grafen jest podobny do grafitu z tą różnicą, że jest najcieńszy i najtwardszy materiał na świecie. Odkryli go Andre Geim i jego współpracownik Konstantin Novoselov w 2004 roku. Elektrony grafenu jakby naruszały fizykę. Poruszają się prawie z prędkością światła bez uderzania się nawzajem. To można wykorzystać w tranzystorach, pamięciach lub mikroprocesorach.

Występowanie i zastosowanie

Grafit

 

Grafit

Więcej informacji w głównym artykule: Grafit

Grafit to minerał, który występuje na wielu miejscach na Ziemi. Jedne z największych kopalń grafitu znajdują się w USA (Teksas i Nowy Jork), Meksyku, Indiach i Rosji. Grafit to np. składnik sadzy, która powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych. Jest jednak w cząstkach tak małych, że sadza ma raczej właściwości amorfnego węgla.

Grafit jest przemysłowo wykorzystywany głównie do produkcji ołówków. Najpierw jest bardzo drobno mielony wraz z wapieniem, a następnie wyciskany w odpowiedni kształt. W czystej formie, bez wapienia, jest wyciskany w węgliki dla malarzy i grafików.

Kolejnym ważnym zastosowaniem grafitu jest przemysł metalurgiczny. Ze względu na jego bardzo dobrą odporność termiczną z niego są wytwarzane naczynia, tzw. kokile, do których są wlewane roztopione metale i ich stopy. Dzięki temu unika się zanieczyszczenia roztapianych metali metalem, z którego kokila musiałaby być wykonana. Z grafitu są również wytwarzane elektrody do elektrolitycznej produkcji aluminium z roztworu bauxytu i kryolitu lub przy produkcji krzemu z roztworu tlenku krzemu.

Skryty grafit[

Umowną formą grafitu jest tzw. szklany węgiel (angl. glassy carbon), który wyróżnia się wysoką gęstością, niską porowatością i bardzo dobrą chemiczną i mechaniczną odpornością. W praktyce jest wytwarzany dokładnie kontrolowanym długotrwałym wysokotemperaturowym (pyrolitycznym) rozkładem substancji organicznych na powierzchni normalnego grafitu.

Dzięki nadzwyczajnym właściwościom fizycznym i chemicznym szklanego grafitu jego praktyczne zastosowanie, mimo jego wysokiej ceny, stale się rozszerza.

• W elektrochemii ważnym faktem jest, że powierzchnie elektrod ze szklanego grafitu są chemicznie bardzo odpornościowe i można na nich osiągnąć wysoki dodatni potencjał bez ich rozpuszczania, co ma miejsce przy normalnych metalowych elektrodach. To można wykorzystać zarówno w chemii analitycznej przy badaniu właściwości elektrochemicznych cząsteczek organicznych, jak i w przygotowaniu utleniania przy produkcji niektórych związków.

• Metoda analityczna GFAAS (spektrometria absorpcyjna atomowa z bezpalnym atomizacją) wykorzystuje do odparowania badanej próbki komorę, która przez kilka sekund jest grzana do temperatury około 3 000 °C. Pokrycie wnętrza tej komory szklanym grafitem znacznie zwiększa jej odporność i w porównaniu z klasyczną grafitową komorą przedłuża jej użyteczność.

• W metalurgii do czyszczenia metali metodą zonalnego topienia stosuje się rury pokryte szklanym grafitem, w których cały proces ma miejsce.

• Wyposażeń laboratoryjnych z powierzchnią ze szklanego grafitu osiągają taką samą lub nawet lepszą chemiczną odporność niż wyposażeń z platyny, czy jej stopu z rodem.

Jantár

 

jantárové prívesky so zaliatymi fosíliami

Zajmującą formą węglowego minerału jest jantár - mineralizowane resztki kredowego żywiczne staro ok. 50 milionów lat. Średnie skład chemiczny jantaru został określony jako C₁₀H₁₆O. Podstawowa kolor jantaru to złoty, ale możemy znaleźć również odmiany całkowicie przezroczyste, czerwone, kawowe i białe.

Znajduje się w Europie jako skamieniałe żywice sosnowe i w Ameryce Środkowej i Meksyku, gdzie jest żywicą tropikalnego drzewa kopalnego.

Ważność jantaru to głównie produkcja biżuterii i przedmiotów ozdobnych. Najważniejszym projektem w tym obszarze była słynna Komnata Jantaru, pokój wyłożony pięknymi artystycznie przetworzonymi blokami jantaru w Petersburskim carskim pałacu. W czasie II wojny światowej niemieckie wojska okupacyjne rozebrały Komnata Jantaru i odwieźli na nieznane miejsce. Do dziś bezskutecznie poszukuje się tej kulturowej pamiątki.

Kolejna ważność jantaru to paleontologiczna. W masie jantaru często są idealnie zachowane ciała kredowego owadów, pył roślin tamtejszych i inne artefakty.

Ciekawe jest, że do dziś nie udało się wyprodukować jantaru sztucznie, mimo że jego skład chemiczny jest dobrze znany, jak również przewidywany proces powstawania.