Węgiel

Węgiel jest pierwiastkiem znanym już w starożytności. Znaczenie polskiej nazwy nie zostało wyjaśnione - jest ona używana od bardzo dawna.

Węgiel w czystej (pierwiastkowej) postaci występuje w przyrodzie jako grafit i diament. Są to tzw. odmiany alotropowe. Trzecią odmianą, wartą nagrody Nobla, są sztucznie wytwarzane fullereny.

Grafit to najczęściej spotykana odmiana węgla. Jest ciemnoszarym, łupliwym i tłustym w dotyku ciałem stałym. W tej formie atomy węgla tworzą luźno związane ze sobą płaszczyzny zbudowane z sześciokątów. Tłumaczy to łupliwość grafitu - płaszczyzny mogą przesuwać się względem siebie. W tej postaci węgiel dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło. Znajduje on zastosowanie w technice (elektrody, smary), do produkcji wkładów ołówkowych (pamiętajcie, że wkłady do ołówków to nie czysty grafit), do wyrobu farb, tygli żaroodpornych (węgiel ma wysoką temperaturę topnienia - powyżej 3500 st. Celsjusza), oraz w starszych reaktorach jądrowych. Pod bardzo wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze ulega przemianie w diament.

Drugą, bardzo cenną, odmianą węgla jest diament. Trudno uwierzyć, że połyskujący brylant jest zbudowany z tych samych atomów co szary grafit, a bogate panie noszą w pierścionkach kawałki węgla. Różnice w wyglądzie i właściwościach fizyczno-chemicznych wynikają z innego ułożenia atomów. W diamencie każdy atom węgla połączony jest z czterema innymi, tworzy się bardzo trwała struktura, będąca właściwie jedną, wielką cząsteczką. Czysty diament występuje w postaci bezbarwnych, bardzo twardych kryształów. Niewielkie domieszki powodują zabarwienie, znane są nawet czarne diamenty. Diament nie przewodzi prądu elektrycznego, odpowiednio domieszkowany staje się półprzewodnikiem. Stosuje się go w jubilerstwie (brylanty, rauty, rozety - diamenty oszlifowane w różny sposób) oraz w technice (do wyrobu wierteł, noży, tarcz ściernych, tranzystorów mogących pracować w wysokich temperaturach).

Trzecią odmianą są fullereny. Zostały one odkryte niedawno, bo w 1985r. przez R.Smalleya, R.Curla i H.W.Kroto. Za odkrycie tej postaci otrzymali oni w 1996r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Otrzymuje je się przez kondensację par węgla. Są to brązowe lub żółte kryształy, rozpuszczalne w benzenie (nie mylić z benzyną ;). Zbudowane są z cząsteczek o parzystej ilości atomów węgla, ich ilość może się wahać od ok. 20 do ponad 1000. Atomy ułożone są w cząsteczki podobne kształtem do piłki futbolowej. Najbardziej znaną jest cząsteczka o 60 atomach węgla. Fullereny są półprzewodnikami, w niskich temperaturach także nadprzewodnikami. Przewiduje się, iż fullereny i ich związki z metalami znajdą zastosowanie w elektrotechnice (pod postacią przewodników, półprzewodników i nadprzewodników), oraz jako smary, włókna sztuczne, farmaceutyki.

W przyrodzie węgiel występuje w dużej ilości minerałów i skał, najważniejsze z nich to tzw. węgle kopalne - węgiel kamienny, brunatny i torf. Różnią się one zawartością węgla jako pierwiastka. Wykorzystywane są one m.in. w hutnictwie. Najpowszechniejsze ich zastosowanie to oczywiście spalanie ich w piecach w celu uzyskania energii. Te inne minerały i skały to wszelkiej maści węglany (pochodne kwasu węglowego), ropa naftowa, gaz ziemny. Węgiel występuje także w ogromnej ilości związków organicznych, którymi zajmuje się odrębna dziedzina chemii - chemia organiczna. Ze związków tych zbudowane są wszystkie organizmy żyjące. 1/5 (jedna piąta) masy Twojego ciała, drogi Czytelniku, to masa węgla (chyba, że jesteś jakimś metalowym robotem ;). Węgiel znajduje się ponadto w atmosferze ziemskiej (CO2), wodzie morskiej, na Marsie, we wnętrzu Słońca...

Wystarczy tego gadania. Drogi Czytelniku, jeśli dotarłeś do tego miejsca, to zaproponuję Ci bardzo proste doświadczenie z jednym ze związków węgla - dwutlenkiem węgla. Jest on gazem bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym, nie podtrzymującym palenia oraz cięższym od powietrza. Wszystkie te właściwości będą widoczne w doświadczeniu.

Do jego wykonania potrzebna będzie Ci:
1) soda oczyszczona (można znaleźć w kuchni, a gdy jej tam nie ma to w sklepie spożywczym)
2) kwas cytrynowy lub ocet (szukać w tych samych miejscach co sodę oczyszczoną)
3) zlewka (co najmniej 0,4 l, w przypadku braku może być słoik o podobnej pojemności)
4) świeca, zapałki

Jeśli masz kwas cytrynowy, to wsyp go do zlewki (do słoika :) i rozpuść w wodzie, na paczkę (ok. 25g) kwasu weź pół szklanki wody. Jeśli do doświadczenia bierzesz ocet, to wlej go do słoika (pół szklanki).

Do tak przygotowanego roztworu wsyp trochę (coś koło łyżki) sody oczyszczonej. Nie wsypuj zbyt gwałtownie. Jeśli roztwór się pieni, to wszystko jest OK.

Po chwili (niezbyt długiej) spróbuj włożyć zapaloną zapałkę do słoika. Powinna zgasnąć. Następnie zapal świecę. Weź słoik i tuż nad płomieniem przechyl go, ale nie wylewaj roztworu!!! Świeca powinna zgasnąć. By otrzymać nową porcję dwutlenku węgla, dosyp znów łyżkę sody lub, gdy to nie spowoduje pienienia się roztworu, dosyp/dolej kwasu. Gdy dojdziesz do pewnej wprawy możesz także "przelewać" dwutlenek węgla ze słoika do słoika, gasić świecę z większej wysokości itd.

Teraz krótkie wyjaśnienie: wodorowęglan sodu, czyli najzwyklejsza w świecie soda oczyszczona reaguje z kwasami wydzielając dwutlenek węgla. Powoduje on pienienie się roztworu, gaśnięcie zapałki i świecy (nie pali się i nie podtrzymuje palenia). Nie ucieka również natychmiast z naczynia, bo jest cięższy od powietrza, chyba że będziesz czekać zbyt długo lub dmuchać, machać rękami nad słoikiem to wtedy CO2 Ci ucieknie.

Na koniec równanie reakcji (HR to ogólny wzór kwasów, NaHCO3 to soda oczyszczona, NaR to produkt uboczny, znajduje się w roztworze po reakcji):

NaHCO3 + HR -> NaR + H2O + CO2