OBLICZA WĘGLA

Węgiel i węgieł zbliżone słowa w zapisie. Tak, jak wydają się bliskoznaczne: kamień węgielny i węgiel kamienny. Te pozory są jednak mylące. Kamień węgielny ma związek z węgłem, węgiel kamienny z energetyczną kopaliną. Przymiotnik od węgła to węgielny, a przmiotnik od węgla to węglowy.

Polskie słowo węgiel ma odpowiednik w języku dolnolużyckim - wuglik, a więc nieco zbliżone w brzmieniu. Pierwotnie węgiel odnoszono do rozżarzonego kawełka drewna wyciągniętego z paleniska. Jest to widoczne w przekazie biblijnym (Leviticus 16:12).

W układzie okresowym pierwiastków węgiel (C) zajmuje szóste miejsce, ma sześć protonów i sześć neutronów i sześć elektronów. Pierwiastek ten należy do drugiego okresu i stoi na czele czwartej grupy. Do drugiego okresu należą kolejno następujące pierwiastki: Lit (Li), Beryl (Be), Bor (B), Węgiel (C), Azot (N), Tlen (O); Fluor (F); Neon (Ne). Do czwartej grupy należą: Węgiel, Krzem (Si), German (Ge); Cyna (Sn), Ołów (Pb).

W budowie pierwiastka wyróżnia się zróżnicowane orbitale, główne poziomy energetyczne, które dzielą się na podpoziomy. Główne poziomy energetyczne oznacza się kolejno następująco: 1 - K, 2 - L, 3 - M, 4 - N, 5 - O, 6 - P, 7 - Q. Podpoziomy są oznaczane kolejno: s, p, d, f. Podpoziom "s" może być obsadzony maksymalnie przez dwa elektrony. Podpoziom "p" przez sześć, podpoziom "d" przez 10, podpoziom "f" przez 14 elektronów. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga położenie elektronu na danym orbitalu jest określane największym prawdopodobieństwem, ale nie można dokładnie wskazać położenia elektronu. Orbitale różnią się od siebie kształtem, a także energią elektronów.

Zapis konfiguracji elektronów dla atomu węgla w stanie podstawowym jest następujący: (1s)² (2s)² (2p)². Pierwsza cyfra oznacza główny poziom energetyczny. W tym przypadku występuja dwa główne poziomy energetyczne 1 i 2. Pierwszy orbital licząc od jądra jest zasiedlony maksymalnie dwoma elektronami wzajemnie sparowanymi, tzn. mają przeciwne spiny. Drugi główny orbital ma dwa podpoziomy "s" i "p". Pierwszy podpoziom jest również maksymalnie zasiedlony elektronami. Natomiast podpoziom "p" ma dwa elektrony niesparowane. Orbital podpoziomu "s" ma symetrię kulistą, co oznacza, że prawdopodobieństwo znalezienia elektronu zależy od odległości od jądra atomu. Elektrony podpoziomu "p" moga zajmować trzy róznoznaczne pod względem energetycznym orbitale i są one względem siebie prostopadłe. Orbital "p" jest też oznaczany jako p_x, p_y, p_z. W pewnych warunkach jeden z elektronów z drugiego głównego poziomu, a podpoziomu "s" może przejść na wolny orbital 2p_z i wtedy mamy następującą konfigurację elektronów na drugim gŁównym poziomie: (2s)¹ (2p_x)¹ (2p_y)¹ (2p_z)¹. Zamiast węgla dwuwartościowego w stanie podstawowym mamy teraz węgiel czterowartościowy, bowiem mamy na poszczególych podopoziomach cztery elektrony niesparowane z przeciwnym spinem.

Odmianami alotropowymi węgla są diament, grafit, fluoryt.

Diament jest najtwardszym naturalnym minerałem, 10 w skali od 1 do 10 Mohsa., ciężar właściwy 3,52 g/cm³, ma kryształy regularne ośmiokątne, jak dwie piramidy złączone podstawami, ale występują też kryształy sześciokątne, a nawet dwunastokątne. Skupienia minerału są nieforemne. Jest odporny na działanie kwasów, bezbarwny, ale też w różnych kolorach. Oszlifowany i wypolerowany diament staje się brylantem.

Grafit jest czarny z odcieniem srebrzystym, stalowoszary, twardość 1, brudzi palce. Gęstość 2,25 g/cm³ Kryształy heksagonalne w formie blaszek, tabliczek, łusek. Cienkie blaszki podatne na zginanie, lecz nie elastyczne. Pod działaniem stężonego HNO₃ i chloranu potasu tworzy się zielonożółty kwas grafitowy C₁₁H₄O₃. Stopiony z saletrą słabo wybucha.

Grafen jest to pojedyncza warstwa grafitu, grubość wynosi jeden atom. Atomy węgla połączone w sześciokąty, połączone wiązaniami o hybrydyzacji sp², przypomina plaster miodu. Ze względu na swe właściwości elektryczne i mechaniczne jest w obszarze intensywnych badań i zainteresowania przemysłu.

Fulereny w stanie stałym są nową alotropową odmianą węgla. Fulereny można zdefiniować jako cząsteczki zbudowane z atomów węgla o składzie C_60+2m. W cząsteczce C₆₀ występują wiązania podwójne C=C, o długości 0,139 nm, które jest wspólnym bokiem dwu stykających się ze sobą sześciokątów i wiązaniu pojedynczemu o długości 0,144 nm które dzielą ze sobą pięciokąt i sześciokąt. Promień cząsteczki ma wartość 0,357 nm. Tworząc różne kombinacja rozmiarów stabilności i reaktywności cząsteczki C₆₀ pozwala na zastosowanie do budowy cząsteczkowych związków funkcyjnych oraz kryształów molekularnych. Niektóre formy są twardsze od diamentu. Obecnie ogranieczeniem jest wysoki koszt pozyskiwania fulerenów.

Sadza jest rodzajem węgla amorficznego i jest najczęsciej kojarzona z czarnym pyłem unoszonymi wraz z dymem i osadzającym się najpierw w urzadzeniach grzewczych i najbliższej okolicy. W zależności od warunków spalania może być to szarawy proszek (z domieszką lotnych części popiołu) aż do postaci ciemnych szlistych grudek mocno przylegajacych do przewodów kominowych.

Węgliki to dwuskładnikowe związki węgla z metalami, np. węglik wapnia (CaC₂), inaczej karbit, po dodaniu wody wytworzy acetylen (C₂H₂).

Związki węgla z tlenem

Tlenek węgla (CO) jest gazem nieco lżejszym od powietrza (0,967) bezbarwny, bezwonny i ponieważ łączy się z hemoglobiną jest śmiertenym zagrożeniem dla człowieka.

Dwutlenek węgla (CO₂) jest to gaz bezbarwny, o słabo kwaśnym smaku, 1.53 razy cięższy od powietrza. Węgiel z dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy jest wbudowywany w biomasę, CO₂ w dużym stężeniu gasi płomień. Przez oziębienie lub pod ciśnieniem daje się łatwo skroplić. Skroplony CO₂ w kontakcie z powietrzem tworzy biały śnieg, tzw. suchy lód.

Kwas węglowy (CO₃ lub HCO₃). Jest słabym kwasem, który łatwo dysocjuje, tworzy sole zwane węglanami, np. kalcyt (CaCO₃), dolomit (CaMg(CO₃)₂).

Związki węgla z wodorem

Cząsteczki powstałe z połączenia węgla i wodoru są węglowodorami. Wyróżniamy węglowodory nasycone i nienasycone i aromatyczne. Jako, że węgiel ma zdolność łączenia się ze sobą powstają szeregi homologiczne, czyli czasteczki zbudowane z podobnych elemetów o zróznicowanej długości.

Węglowodory nasycone ( alkany) zbudowane są z atomów węgla o hybrydyzacji sp³, np metan (CH₄), etan (CH₃-CH₃), itd. o wzorze ogólnym C_nH_2n+2. Węglowodory nienasycone obok wiązań pojedynczych mają wiązania podwóne (alkeny) o hybrydyzacji sp² i potrójne (alkiny) o hybrydyzacji sp, odpowiednio o wzorach ogólnych: C_nH_2n i C_nH_2n-2. Najprostszymi przedstawicielami tych grup są odpowiednio etylen i acetylen.

W wiązaniu pojedynczym elektrony tworzą wiązanie typu σ. Wiązanie podwójne tworzy jedna para elektronów typu σ i jedna para elektronów typu π. W wiązaniu potrójnym występuje para elektronów o wiązaniu typu σ i dwie pary typu π.

Najprostszym przedstawicielem węglowodorów aromatycznych (Areny) jest benzen (C₆H₆). Każdy z sześciu atomów węgla tworzy trzy ułożone w jednej płaszyźnie wiązania typu sigma;: dwa między orbitalami sp² dwóch sąsiednich atomów węgla i jedno między atomem wegla o orbitalu sp² z orbitalem s wodoru. Na skutek tego tworzy się pierścień o kształcie sześciokąta foremnego, w którym wszystkie wiązania σ tworzą kąty 120 stopni. Trwałość układów aromatycznych wynika z faktu, że po zapełnieniu wiążacych orbitali typu σ pozostałe elektrony (tzw. elektrony π) zajmują zdelokalizowany orbital molekularny.

Najważniejsze klasy zwiazków z udziałem węgla:

• Alkohole z grupą funkcyjną wodorotlenową (hydroksylową, OH)
• Grupa funkcyjna eterów składa się z dwóch atomów węgla i tlenu miedzy nimi, połączone wiązaniami pojedynczymi
• Ketony maja grupę ketonową składającą się z trzech atomów węgla połączonych wiązaniami pojedynczymi, i środkowy atom węgla ma podwójne wiązanie z tlenem (grupa karbonylowa)
• Aldehydy mają charakterystyczną grupę aldehydową, którą tworzy atom węgla z atomem tlenu o wiązaniu podwójnym (grupa karbonylowa) i ten sam atom wągla z wodorem o wiązaniu pojedynczym
• Kwasy karboksylowe mają charakterystyczną grupę karboksylową w której atom węgla jest połączony z tlenem wiązaniem podwójnym (grupa karbonylowa) i ten sam atom węgla ma pojedyncze wiązanie z grupą hydroksylową (wodorotlenową, OH)
• Kwasy sulfonowe mają grupę sulfonową na którą składa się atom węgla połączony wiązaniem pojedynczym z SO₃ a ta z kolei ma wiązanie pojedyncze z grupą wodorotlenową (OH)
• Aminy maja grupę aminową na którą składa się atom węgla połączony wiązaniem pojedynczym z NH₂
• Związki nitrowe mają grupę nitrową, którą tworzy atom węgla z NO₂ połączone wiązaniem pojedynczym
• Nitryle maja grupę nitrylową na którą składa się atom wegla i azotu połączne wiązaniem potrójnym.

Liczba klas zwiazków z udziałem węgla jest bardzo duża i ciągle rośnie wraz z rozwojem chemii. Każda z grup funkcyjnych może być połączona z atomem węgla o hybrydyzacji sp³, sp² lub sp.

Węglowodany pod względem chemicznym są wielohydroksyaldehydami lub wielohydroksyketonami lub pochodnymi tych związków, np. czasteczka glukozy jest aldoheksosą na którą składa się grupa aldehydowa oraz pięć atomów węgla, które są połączone z wodorem i grupą wodorotlenową.

Czasteczki lipidów zawierają co najmniej jedną resztę kwasu karboksylową o długim łańcuchu węglowym.

Aminokwasy są związkami zawierajacymi w cząsteczce grupę aminową i karboksylową. Peptydy są utworzone z aminokwasów. Peptydy zawierają w swej cząsteczce od dwóch do kiludziesięciu reszt aminokwasowych. Przyjeto, że polimery tych związków o masie cząsteczkowej powyżej 10 000 są białkami.

Najwyżej zorganizowanymi strukturami z udziałem węgla są kwasy nukleinowe (RNA, DNA), których podstawowy element składa się z trzech struktur: reszt kwasu fosforowego, reszt monosacharydowych ( D-rybozy lub 2-dezoksy-D-rybozy) oraz reszt zasad purynowych lub pirydyminowych. Schematycznie ujmując budowę kwasu nukleinowego to fosforan z cukrem tworzy długie łąncuchy oraz zasada podłąćzona jest też do cukru. Kolejność zasad purynowych i pirymidynowych w łańcuchach DNA stanowi określony kod informacyjny, który jest rozpoznawalny przez określone struktury komórkowe w róznych przejawach życiowych komórek.

Procentowy udział węgla w składzie ważniejszych związków organicznych jest następujacy: w cukrach prostych - 40%, w skrobi i błonniku - 44%, w białkach - 50-50%, w tłuszczach - 75%.

Przeciętna procentowa zawartość w suchej masie wynosi: 45% węgla, 42% tlenu, 6,5% wodoru, 1,5%azotu. Zdolność organizmów do przyswajania CO₂ nazywamy asymilacją, co obrazuje sumeryczne równanie:

6CO₂ + 6H₂O + energia = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Proces asymilacji dwutlenku węgla oparty na energii słonecznej i chlorofilu nazywamy fotosyntezą, a w oparciu o energię chemiczną chemosyntezą z udziałem wyspecjalizowanych bakterii żelazistych, siarkowych, wodorowych, metanowych. W ten sposób wytworzone asymilaty są związkami zredukowanymi w stosunku do dwutlenku węgla. Zasadniczym asymilatem jest cukier prosty w którym energia promienista została zamieniona w energię chemiczną. Jedna gramocząsteczka cukru zawiera energię odpowiadającą 674 kilokalorii. W procesie oddychania (dysymilacji) energia ta jest uwalniana i powstaje CO₂ i H₂O. Ogólnie w roślinach zielonych proces asymilacji jest około dziesięciokrotnie intensywniejszy od zachodzącej desymilacji. Dla wegetacji roślin lądowych ważna jest zawartość dwutlenku węgla w powietrzu. W warunkach doświadczalnych zwiększając stężenie CO₂ w powietrzu około roślin z 0,03 do 0,15%, przy utrzymaniu optymalnych innych czynników wzrostu, intensywność fotosyntezy wzrosła trzykrotnie. Ma to znaczenie praktyczne w dostarczeniu roślinom optymalnej ilości dwutlenku węgla, głównie przez nawożenie organiczne. Ocenia się, że roczna "konsumpcja" dwutlenku węgla przez rośliny wynosi 60 bilionów kilogramów. Węgiel związany przez rośliny wraca do atmosfery w prosesie oddychania organizmów żywych, wybuchu wulkanów, w procesach technicznych spalań,jako wynik działalności ludzkiej. Warto podkreślić znaczenie mikroorganizmów w obiegu węgla w przyrodzie. Drobnoustroje żyjące w glebie spełniają olbrzymia rolę w procesie rozkładu materii organicznej i przywracaniu dwutlenku węgla atmosferze. Przy tym intensywność oddychania drobnoustrojów mierzona ilością dwutlenku węla wydzielonego w jednosce czasu i na jednostkę masy organizmu jest znacznie większa aniżeli u organizmów wyższych.

Wyróżnia się cztery rodzaje rozkładu materii organicznej: butwienie, próchnienie, torfienie i gnicie. Butwienie zachodzi w warunkach dostępu tlenu i wody. Podczas procesu próchnienia dostęp tlenu jest ograniczony. Torfienie najpierw następuje w warunkach dostępu tlenu, potem brak. Natomiast gnicie następuje w wodach stagnujących przy przy zupełnym braku tlenu atmosferycznego.

Podczas fazy biochemicznej przetwarzania materii biorą udział bakterie, grzyby, enzymy. Część materii zostaje przetworzona w związki humusowe i uwalniany jest CO₂, CH₄, H₂O. Nastęna faza fizyko-chemiczna prowadzi do sprasowania i odwodnienia pozostałości po pierwszej fazie. W fazie geochemicznej w procesie diagenezy tworzą się węgle brunatne, a następnie w procesie metamorfizmu powstają węgle kamienne. Podczas procesu metamorfizmu zachodzi uwęglanie, na skutek działania czynników chemicznych, mechanicznych przy określonej temperaturze i ciśnieniu. W zależności od rodzaju materiału ogranicznego, klimatu, morfologii terenu i jego tektoniki tworzą się różne rodzaje kopalin. Granica między torfem, a węglem brunatnym stanowi umowna zawartość 65% wagowych węgla w przeliczeniu na suchą masę i bezpopiołową. Zawartość popiołu w torfie po spaleniu, w zależności od jego rodzaju, od ponizej 6% wagowych do nawet 25%. Węgle brunatne są utworami przejściowymi między torfami a węglami kamiennymi. Stadium węgli brunatnych kończy przejście kwasów huminowych rozpuszczalnych w alkaliach w nierozpuszczalne huminy właściwe węglom kamiennym.

Cechy charakterystyczne paliw stałych

Cecha paliwa	Jednostka	Drewno	Węgiel brunatny	Węgiel kamienny
Wartość opałowa	MJ/kg	8-16	7,5-22	17-29,5
Zaw.cz.lotnych	%	85	40-60	20-40
Wilgotność	%	15-50	15-60	5-30
Zawartość popiołu	%	1-2	10-20	5-35

Skład chemiczny suchej substancji paliw stałych w %

Rodzaj paliwa	Węgiel	Wodór	Tlen	Azot	Siarka
Drewno	50	6	44	0,1	-
Węgiel brunatny	60-73	5-6	13-25	0,7-1,6	0,5-5
Węgiel kamienny	68-76	3,5-5	8-10	8-10	0,5-2

W procesie suchej destylacji możemy np. z drewna uzyskać węgiel. Aby przeprowadzić ten proces we własnym zakresie możemy w tym celu wykorzystać puszkę lub garnek. W pokrywie musi być otwór, tym większyi im większy jest pojemnik. Pokrywę należy mocno przymocować do pojemnika. Do pojemnika wkładamy drobne kawałki drewna, możliwie ściśle wypełniając i podgrzewamy. Najpierw zaczną uchodzić gazy (po około 1 godz.), które zapal. Dalszy proces destylacji w zależności od intensywności podgrzewania i rodzaju drewna może jeszcze potrwać 2-3 godz. Po ostudzeniu wyjmij zwęglone drewno i możliwie dokładnie rozdrobnij. Następnie przemywaj tak długo wodą, aż papierek lakmusowy zanurzony w przesączu przestanie się barwić na niebiesko. Przemywanie wodą ma na celu usunięcie z węgla tlenków metali alkalicznych, głównie potasu, których obecność wywołuje alkalizację roztworów. Tą prymitywną metodą uzyskaliśmy węgiel "nieco" aktywny, który w 1g ma około 6-8 m² powierzchni adsorpcyjnej. Proces ten przeprowadzony w profesjonalnych warunkach daje powierzchnię adsorpcyjną 700-800 m².

Andrzej Bolewski, Andrzej Manecki, Ropzpoznawanie minerałów, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1987.

Andrzej Bolewski, Włodzimierz Parachoniak, Petrografia, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1982.

Aleksander Erndt, Podstawy chemii ogólnej i nieorganicznej, PWN, Warszawa 1986.

Stefan Gumiński, Ogólna fizjologia roślin, PWN, Wrocław 1977.

Gotfryd Kupryszewski, Wstęp do Chemii Organicznej, PWN, Warszawa 1983.

Jan Pabis, Podstawy techniki cieplnej w rolnictwie, PWRiL Warszawa, 1983.

Stefan Sękowski, Pierwiastki w moim laboratorium, WSzi P, Warszawa, 1989.

Ryszard Jasek, Czesław Kizowski, Wegiel i nanostruktury węglowe Rzeszów UR http://www.fizyka.uni.opole.pl/moja_fizyka/numer15/artykul.html

https://obcyjezykpolski.pl/wegiel-czyli-kamien-wegielny/

https://biblehub.com/hebrew/1513.htm

https://biblehub.com/leviticus/16-12.htm