Wzór chemiczny

C

tematy objęte

Tło
podstawowe informacje o węglu
występowanie węgla
węgiel i nanotechnologia
izotopy
produkcja węgla
aspekty zdrowotne węgla
kluczowe właściwości węgla
zastosowania węgla

Tło

od czasów prehistorycznych ludzie byli świadomi obecności węgla. Kiedy ludzie z jaskini rozpalili ogień, zobaczyli powstawanie dymu. Czarny kolor dymu wskazuje na cząstki węgla z niespalonych materiałów.

później olej był używany jako paliwo do lamp. Spalanie oleju spowodowało uwolnienie węgla, który utworzył na wnętrzu lampy smolistą powłokę. Ten smoczek został nazwany lampblack. Lampblack zmieszano z gumą balsamową lub oliwą z oliwek, aby uzyskać atrament.

węgiel jest najczęstszą formą węgla. Drewno podgrzane pod nieobecność powietrza, w szczególności tlenu, powoduje powstawanie węgla drzewnego. Francuski fizyk René Antoine Ferchault Reaumur zdał sobie sprawę, że węgiel może być pierwiastkiem i opublikował pracę w tym celu w 1722 roku. Oficjalna klasyfikacja węgla nastąpiła pod koniec XVIII wieku. Początkowo został nazwany Carbone na podstawie poprzedniego łacińskiego określenia węgla, charbon.

istnieje prawie dziesięć milionów związków węgla, a „chemia organiczna” jest gałęzią chemii, która zajmuje się badaniem tych związków węgla. Oto niektóre typowe związki węgla:

• Acetic acid (CH3COOH)
• Ethyl alcohol (C2H5OH)
• Acetylene (C2H2)
• Benzene (C6H6)
• Methane (CH4)
• Ethylene (C2H4)
• Carbon tetrachloride (CCl4)
• Chloroform (CHCl3)
• Carbon dioxide (CO2)
• Carbon monoxide (CO)
• Carbon disulfide (CS2)

Basic Information of Carbon

Table 1. Basic Properties of Carbon

Occurrence of Carbon

Almost 18% of an individual’s body weight is due to carbon. Węgiel jest drugim najczęstszym pierwiastkiem w ludzkim ciele, czwartym najczęstszym pierwiastkiem w Układzie Słonecznym, szóstym najczęstszym pierwiastkiem we wszechświecie i siedemnastym najczęstszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Węgiel występuje w minerałach takich jak magnez (MgCO3) i węglan wapnia (CaCO3) i rzadko występuje jako grafit i diament. Węgiel występuje również w postaci dwutlenku węgla (CO2) obecnego w atmosferze. Chociaż dwutlenek węgla stanowi tylko niewielką część atmosfery, jest bardzo ważnym gazem, ponieważ jest używany do fotosyntezy. Kilka odmian węgla to prawie czysty węgiel. Gaz ziemny, węgiel i ropa mają w sobie węgiel. Gaz ziemny i ropa naftowa to wszystkie węglowodory, które są związkami utworzonymi z wodoru i węgla.

węgiel i nanotechnologia

podczas gdy alotropy węgla, takie jak grafit i diament, były znane od wieków, inne alotropy, takie jak nanorurki węglowe, grafen i buckminsterfullerene, zostały odkryte niedawno. Odegrały one znaczącą rolę w rozwoju dziedziny nanotechnologii.

w podstawowych pojęciach można je opisać jako:

• Grafen – pojedynczy arkusz atomów węgla ułożony w sześciokątny wzór, taki, że wszystkie atomy węgla są połączone z 3 innymi atomami węgla
• nanorurki węglowe– rurka wykonana z arkusza grafenu (jednościenne nanorurki węglowe). Odmiany obejmują Rury zamknięte na jednym lub obu końcach oraz rury wykonane przez walcowanie arkuszy grafenu, tak że mają kilka warstw grubości (wielościenne nanorurki węglowe).
• Buckminsterfullerene-czasami nazywane buckyballs, zwykle składają się z 60 atomów węgla połączonych ze sobą, tworząc kulistą strukturę z 20 sześciokątnymi ścianami i 12 pięciokątnymi ścianami.

izotopy

węgiel-12, węgiel-13 i węgiel-14 to trzy izotopy węgla, które występują naturalnie.

węgiel-14 jest radioaktywny i służy do pomiaru grubości obiektów np. blach stalowych. Jest również stosowany w „datowaniu węglowym” próbek archeologicznych, gdzie naukowcy wykorzystują okres półtrwania węgla-14 do określenia wieku próbek.

produkcja węgla

Grafit, diament i inne formy węgla są bezpośrednio uzyskiwane z kopalń. Syntetyczne diamenty mogą być wytwarzane, gdy czysty węgiel jest poddawany ekstremalnie wysokim temperaturom i ciśnieniom. Obecnie około 1/3 wszystkich diamentów jest wytwarzanych syntetycznie.

aspekty zdrowotne węgla

węgiel jest absolutnie niezbędny do życia i prawie każda cząsteczka żywego organizmu zawiera węgiel. Węgiel ma również kilka złych skutków dla organizmów żywych. Czarne płuco, na przykład, jest chorobą rozwiniętą u górników. Płuco górnika rozwija czarny kolor, który powstaje, gdy pył węglowy jest wdychany przez górnika. Ten pył węglowy blokuje małe otwory, przez które tlen dostaje się do płuc, powodując trudności w oddychaniu, które w najgorszym przypadku mogą doprowadzić do śmierci.

kluczowe właściwości węgla

• węgiel spala się w powietrzu tworząc tlenek węgla i dwutlenek węgla.
• węgiel reaguje z tlenem, ale nie reaguje ani nie rozpuszcza się w kwasach, wodzie i innych tego typu materiałach.
• węgiel ma zdolność rozwijania długich łańcuchów, które są praktycznie nieskończone. Na przykład cząsteczki plastiku mają długi łańcuch atomów węgla połączonych ze sobą, a niektóre z nich mają również łańcuchy boczne.
• węgiel występuje w wielu formach alotropowych. Grafit i diament są alotropami, które mają struktury krystaliczne. Alotropy bez struktur krystalicznych są albo pozbawione kształtu, albo amorficzne.
• koks, węgiel drzewny, alotropy węglowe i lampblack to alotropy niekrystaliczne.

zastosowania węgla

grafit i diamenty to dwie ważne alotropy węgla, które mają szerokie zastosowanie.

diamenty są drogie i atrakcyjne, a zatem stosowane w wysokiej klasy biżuterii. Diamenty przemysłowe są używane do cięcia, polerowania i szlifowania szkła ze względu na ich ekstremalną twardość.

Grafit stosowany w:

• elektrowniach jądrowych, aby pomóc spowolnić neutrony w reakcji jądrowej
• Grafit stosowany w ołowiach ołowiowych
• Grafit jest stosowany jako smar do maszyn i części mechanicznych
• grafit ogniotrwały stosuje się, gdy wymagane są nie zwilżające Okładziny pieca i utlenianie nie stanowi problemu np. w produkcji aluminium i w piecach próżniowych

węgiel amorficzny znajduje również wiele zastosowań, takich jak:

• Opony Gumowe
• tusze
• Pigmenty
• płyty gramofonowe
• piece Polskie
• taśmy do maszyn do pisania.